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《镍镀层应力的测试方法和应力释放》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、镀镍层内应力及其测量方法关键词：镀镍，内应力，测量方法，影响因素作 者：李延伟，黄晓曦，杨哲龙，姚金环，李月晓内 容：(1.桂林理工大学化学与生物工程学院,广西桂林541004;2.哈尔滨工业大学化工学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要：镀镍是电镀工业中应用最广泛的镀种之一,镀层的内应力是影响镀层质量的重要因素。综述了镀镍层内应力产生的原因,介绍了镀镍层内应力的测量方法,并对各种影响镀镍层内应力的因素进行了分析。关键词：镀镍;内应力;测量方法;影响因素中图分类号：TQ153文献标识码：A文章编号：1000-4742(2011)01-0004-040前言镀镍是电镀
2、工业中最重要的镀种之一,已被广泛应用于机械、电子、航空、航天、国防等领域[1]。特别是近年来镀镍在特种加工[2]和微/纳米制造[3]等高新技术领域的应用,使其用途更加广泛。在电镀过程中,由于金属的结晶有一定变形或有异相渗入,会产生一定内应力,这种现象在镀镍过程中尤为明显[4]。电镀层的内应力可分为两类:一类是使镀层本身体积有膨胀趋势的应力,称为压应力;另一类是使镀层体积有收缩趋势的应力,称为拉应力。电镀过程中,拉应力过大会使镀层开裂;而压应力过大会引起镀层起泡,从而导致镀层的失效。在微/纳米制造中,不平衡的拉应力或压应力很容易引起加工部件发生变形,从而使制造过程失败。
3、因此,深入了解镀层内应力产生的原因、内应力的表征手段及其调控方法对电镀生产具有重要实际意义。本文综述了镀镍层内应力产生的原因,介绍了镀镍层内应力的测量方法,并对各种影响镀镍层内应力的因素进行了分析。1镀镍层内应力的形成原因电镀层内应力是在金属离子形成金属的过程中产生的。为了避免或控制内应力对镀层产生的不良影响,人们很早就开始对内应力的形成原因进行了研究[5-7]。然而,由于这一问题的复杂性,至今仍无完善统一的理论解释。归纳起来,关于镀镍层内应力产生的原因主要有以下几种理论解释[8]:(1)渗氢理论在金属电沉积过程中若有氢析出,它将以氢原子或氢化物的形式存在于镀层中,氢
4、在镍中具有很好的扩散性,能迅速逸出形成氢分子。氢的逸出导致镀层收缩形成拉应力。这一理论可以较好地解释阴极大量析氢时,镀镍层往往具有较大的拉应力。(2)晶体聚结理论电沉积时产生的晶核在成长过程中为了降低表面能而彼此聚结在一起,因而产生拉应力。而在晶核聚结之前,由于受到基体施加的力而被压缩,同时晶核生长时的表面张力也有收缩作用,故镀层出现压应力。这种理论可以说明基体材料的表面取向对镀镍层内应力的影响。(3)夹杂理论电沉积时要获得没有杂质的纯镀层是非常困难的,杂质与镀层金属一起沉积或夹杂在晶界上,这使得杂质周围的金属晶格发生扭曲,从而产生内应力。这一理论可以比较好地解释镀液
5、中的添加剂对内应力的影响。(4)能量过剩理论金属镍具有较高的活化过电位,当镍沉积在基体表面时,将以热的形式释放出大量的能量。镀层原子受热会使晶体膨胀,当它回到正常的“冷原子”时就会产生内应力。这一理论的证据是电沉积时,过电位越大,拉应力也就越大。但这种理论无法解释压应力。(5)位错理论位错是晶格中原子平面相对滑动所产生的线缺陷。由于位错的边是沿着空位而取向的,于是就产生了拉应力。有机添加剂若能吸附在空位处,就会影响位错的生成,从而使内应力下降。实际上,位错理论是上述各种学说的基础。产生镀层内应力的几种理论实际上彼此之间是互相联系、互为补充的。例如:位错是沉积层中的高能
6、量区,所以能量过剩理论可以看成是位错理论和聚结理论的推论。有时,可用一种理论解释产生内应力的原因;但在大多数情况下,只用一种理论解释是不够完善的。2镀镍层内应力的测量方法镀层内应力的测量主要采用力学方法。常用的力学方法有薄片弯曲阴极法、螺旋收缩仪法、圆片变形法及长度变化法等[9-10]。这些方法基于在材料的弹性极限内讨论应力和应变的关系。2.1薄片阴极弯曲法薄片阴极弯曲法是一种经典的内应力测量方法。其基本形式是:采用一块狭长的金属薄片作阴极,背向阳极的一面绝缘;电镀时一端用夹具固定另一端可以自由活动;电镀后,镀层中产生的内应力会迫使薄片阴极弯曲。其内应力计算公式为:
7、 式中:σ为镀层内应力,Pa;E为薄片阴极的弹性模量,Pa;t为薄片阴极的厚度,mm;R为薄片阴极的弯曲半径,mm;d为镀层的厚度,mm。薄片阴极弯曲法的主要缺点是:(1)试样背面的绝缘层往往会污染电镀溶液,同时影响试样的刚性,这种影响难以在内应力计算中加以考虑和修正;(2)绝缘不完全或在电镀过程中产生脱落也会改变阴极的弯曲程度;(3)窄条试样变弯以后,改变了它与阳极的距离,也就改变了阴极上的电流分布。2.2螺旋收缩仪法螺旋收缩仪法是把不锈钢片制作成螺旋管,并使它的一端固定,然后只在螺旋管外表面电镀,内表面涂绝缘漆。当镀层产生内应力时会使螺旋管发生
