焦磷酸盐溶液体系电镀白铜锡新工艺及电沉积动力学

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白铜锡,即高锡铜-锡合金,其优异的外观、良好的耐蚀性等优点使其成为最有潜力代镍镀层。另外,白铜锡合金镀层具有优秀的焊接能力,Cu6Sn5结构的白铜锡合金可以作为优秀的锂离子电池的负极材料,这些应用使得此类白铜锡合金镀层的研究显得尤为重要。目前焦磷酸盐溶液体系因其较高的稳定性和弱碱性镀液环境等,成为无氰电镀铜-锡合金最有前途的镀液体系之一。本文采用一个简单的焦磷酸盐溶液体系,重点讨论了电镀添加剂对白铜锡合金电镀工艺及镀层性能的影响;并对铜-锡合金的电沉积理论进行了初步的研究。本文主要通过赫尔槽实验和方槽实验研究了镀液组成及添加剂对焦磷酸盐电镀白铜锡的影响。结果表明,在基础镀液:K4P2O7·3H2O250g/L,Cu2P2O7·4H2O16g/L,Sn2P2O712g/L,pH=8.5中,筛选得到了三种优秀的添加剂,其代号及最优添加浓度分别为JZ-1(0.8mL/L)、DPTHE(1.0mL/L)、IEP(1.0mL/L),室温1A/dm2的电流密度下,三种添加剂都能获得锡含量45%-55%之间的白亮镀层。三种添加剂中,DPTHE更适合于较小电流的电镀工艺,其电流密度下限低至0.09A/dm2,IEP更适合于较大电流的电镀工艺,其电流密度范围可达到0.16-3.70A/dm2。镀层厚度及组分数据表明,三种添加剂的加入都能抑制锡的析出,降低沉积速度;但不同添加剂对镀层结构及形貌的影响不同,JZ-1得到的镀层结构主要为Cu41Sn11,而IEP和DPTHE得到的镀层结构主要为Cu6Sn5;SEM及金相显微结果表明,三种添加剂中IEP对镀层的整平性和光亮性最优。实验通过阴极极化曲线及循环伏安曲线研究了焦磷酸盐溶液体系电沉积铜-锡合金的电化学过程及其动力学规律。结果表明,焦磷酸盐单独电沉积锡的阴极还原过程是一步放电还原的准可逆过程,IEP加入后会抑制锡的析出。在电沉积铜-锡合金的还原过程中,铜的加入使得锡发生欠电位沉积,促使了合金的起始沉积电势的正移,且电极过程转化为不可逆过程。三种添加剂IEP、DPTHE及JZ-1的加入都改变了合金电沉积的极化曲线,其中IEP促进了合金中铜的沉积,抑制了锡的沉积,但这三种添加剂的影响机理还需进一步研究。最后,文章还探讨了一步电沉积法制备锂离子电池负极材料的可能性。通过对焦磷酸盐镀液体系的研究与探索,获得了锡含量60%-70%的合金材料,XRD结果表明合金为Cu6Sn5结构,不含其他杂质相,结晶性好。SEM结果表明合金致密,粒度小,有利于增加对锂的脱嵌容量。阴极极化曲线表明锡含量较高的铜-锡合金电沉积主要由锡的电沉积动力学规律控制。
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