梁科*，秦文峰郭荣辉

（1.中国民航飞行学院航空工程学院，四川 广汉 618307；2.四川大学轻纺与食品学院，四川 成都 610065）

镀液中硫酸铜用量对化学镀镍-铜-磷合金聚酯纤维织物微观结构和性能的影响

梁科1，*，秦文峰1，郭荣辉2

（1.中国民航飞行学院航空工程学院，四川 广汉 618307；2.四川大学轻纺与食品学院，四川 成都 610065）

利用化学镀在聚酯（PET）纤维织物表面沉积Ni-Cu-P合金，考察了镀液中CuSO4·5H2O质量浓度对镀层沉积速率、元素成分、微观结构、导电性及电磁屏蔽效能的影响。结果表明，随着镀液中 CuSO4·5H2O质量浓度的增大，沉积速率先增后减，所得镀层中的Cu含量逐渐增加，Ni和P含量则降低，镀层由非晶态向晶态过渡，织物的表面电阻下降，电磁波的屏蔽效能提高。当硫酸铜质量浓度为6 g/L时，沉积速率最大，所得织物的表面电阻降至0.19 Ω/□，电磁屏蔽效能在10 MHz ～ 20 GHz的频率范围内均在55 dB以上。

聚对苯二甲酸乙二酯；织物；镍-铜-磷合金；化学镀；微观结构；电磁屏蔽

First-author’s address: College of Light Industry， Textile and Food Engineering， Sichuan University， Guanghan 618307，China

随着航空电子技术的快速发展，各种高功率雷达、通信电子设备等在飞机上越发广泛地应用，飞机对电磁屏蔽效果的要求越来越高。电磁辐射不仅对各航空电子设备的精密性工作产生干扰，而且会极大地损害人体健康。因此，飞机结构通常采用电磁屏蔽设计，通过屏蔽各种电磁波，达到保护机组与乘客的健康、保障飞行安全的目的。当前，在飞机上普遍采用的电磁屏蔽材料包括表面导电层材料（金属丝网、导电纤维布等）、填充型电磁屏蔽橡胶（导电硅胶、导电橡胶［1］等）。其中，导电纤维布因具有一般导电织物的柔软特性［2-3］，具有作为飞机机身、机载设备电磁屏蔽材料的明显优势。近几年，针对导电织物在屏蔽电磁波上的应用优势，不少学者在化学镀镍和镀铜方面进行了专项研究［4-8］。单一铜镀层易氧化，而单一镍镀层的导电性又有限，所以有研究人员在化学镀Ni-P溶液中加入铜盐，并在一定条件下获得了同时具有良好抗氧化性和导电性的Ni-Cu-P合金镀层［9-11］。笔者通过对化学镀Ni-Cu-P三元合金工艺配方的深入研究，成功在聚酯纤维上获得了Ni-Cu-P合金镀层。本文着重讨论了铜盐对化学镀Ni-Cu-P三元合金的沉积速率、微观特征和电磁屏蔽性能的影响， 从而确定最佳的工艺配方，并进行综合性能测试，以期在飞机电磁屏蔽材料制备中得到应用。

1 实验

1.1 材料

聚酯纤维（PET）平纹织物（纱支密度为47 × 40根/cm2，面密度为84 g/cm2）为基底，市售；所有化学试剂均为分析纯。

1.2 化学镀工艺

先将聚酯纤维织物置于5%的中性清洗剂（成都科龙化工试剂厂）中冲洗20 min，再经敏化［10 g/L SnCl2·2H2O + 40 mL/L盐酸（38%），室温处理10 min］和活化［0.5 g/L PdCl2+ 20 mL/L盐酸（38%），室温处理10 min］，最后在化学镀液中施镀。化学镀液的组成及操作条件为：NiSO4·6H2O 15 g/L，CuSO4·5H2O 0 ～ 10 g/L，次磷酸钠30 g/L，硼酸30 g/L，酒石酸钾钠45 g/L，pH = 10.0，温度50 ～ 70 °C。

1.3 结构表征和性能测试

采用精密分析天平称量试样镀前和镀后的质量变化，并根据施镀时间和试样面积计算镀层沉积速率，单位为mg/（cm2·h）。采用JSM-6335F场发射扫描电子显微镜（SEM）观察镀层表面形貌，并用该仪器配备的X射线能谱仪对镀层元素进行分析。采用X射线衍射仪（XRD）进行镀层的晶体结构表征。采用四探针法（ASTM F390）测量导电织物表面电阻。采用防电磁辐射测试仪（ASTM D4935-99）测定化学镀织物的电磁波屏蔽性能，频率范围为10 MHz ～ 20 GHz。电磁波屏蔽效能SE的计算方法见式（1）。

式中，E0和E1分别表示入射和透射的电场强度，H0和H1表示入射和透射的磁场强度，P0和P1表示入射和透射的功率。

2 结果与讨论

2.1 硫酸铜质量浓度对沉积速率的影响

图1给出了硫酸铜质量浓度对合金镀层沉积速率的影响。当硫酸铜质量浓度低于6 g/L时，其对沉积速率的影响显著，随着镀液中Cu2+质量浓度升高，化学镀Ni-Cu-P合金的沉积速率显著提高。当硫酸铜质量浓度高于6 g/L后，沉积速率反而开始降低。有研究认为，镀液中铜离子的含量达到一定浓度时会引起镍与铜离子发生置换反应的概率提高，从而影响铜的沉积［12］。在70 °C下，硫酸铜质量浓度为6 g/L时镀层的沉积速率最快，达到36.7 mg/（cm2·h）。

2.2 镀层成分分析

采用X射线能谱分析仪，对各种硫酸铜质量浓度下所得Ni-Cu-P合金镀层的成分进行分析，结果如图2所示。由于铜离子的还原电位高于镍离子的还原电位，铜比镍优先沉积，并且随着硫酸铜质量浓度的增加，镀液金属离子中铜离子的浓度比例明显提高，导致沉积的铜量增多，因此Ni-Cu-P合金镀层中铜的质量分数明显升高，同时镍的质量分数显著降低，磷的含量缓慢降低。这与Liu等人［13］发表的研究结果一致。

图1 硫酸铜质量浓度对化学镀Ni-Cu-P合金沉积速率的影响Figure 1 Effect of CuSO4·5H2O mass concentration on deposition rate of electroless Ni-Cu-P alloy plating

图2 硫酸铜质量浓度对化学镀Ni-Cu-P合金镀层成分的影响Figure 2 Effect of CuSO4·5H2O mass concentration on elemental composition of electrolessly plated Ni-Cu-P alloy

2.3 镀层表面形貌分析

图3给出了不同硫酸铜质量浓度下获得的Ni-Cu-P合金镀层表面的扫描电镜照片，沉积温度70 °C，时间20 min。从图3a可以看出化学镀Ni-P合金的表面形貌为明显的胞状结构，但是随着镀液中铜质量浓度的增加，胞状结构逐渐变弱，镀层颗粒开始变大，表面粗糙。当硫酸铜质量浓度为10 g/L时，胞状结构结构已经消失。

图3 不同硫酸铜质量浓度下化学镀所得织物的SEM照片Figure 3 SEM images of fabrics electrolessly plated at different CuSO4·5H2O mass concentrations

2.4 镀层结构分析

图4为镀液中硫酸铜质量浓度不同时所得镀层的XRD谱图。当镀液中不含硫酸铜时，镀镍织物的XRD谱图只在2θ为45°左右出现了一个较宽的衍射峰，表明镀镍层为非晶态结构。这与磷的质量分数高于7%，镀层就为非晶态的报道一致［14］。当硫酸铜的质量浓度为4 g/L和6 g/L时，出现了较窄而尖锐的铜衍射峰，说明此时镀层为晶态结构。而硫酸铜质量浓度为2 g/L时，镀层可能处于非晶与晶态之间的微晶状态。可见，随着镀液中硫酸铜质量浓度的增加，所得镀层会逐渐由非晶态向晶态过渡。

图4 不同硫酸铜质量浓度下化学镀所得织物的XRD谱图Figure 4 XRD patterns of fabrics electrolessly plated at different CuSO4·5H2O mass concentrations

2.5 镀层的导电性和电磁屏蔽效能

图5示出了镀液中硫酸铜质量浓度对镀覆了金属的织物表面电阻的影响。从图5可以看出，随着镀液中硫酸铜质量浓度的增加，织物的表面电阻显著减小，当镀液中硫酸铜的质量浓度达6 g/L时，镀层的表面电阻降低至0.19 Ω/□。

如图6所示，化学镀织物的电磁波屏蔽效能均大于45 dB。镀Ni-Cu-P合金织物的电磁波屏蔽效能明显要好于镀Ni-P合金织物。随着铜含量和增重率的增加，电磁波的屏蔽效能逐渐提高。这是因为与化学镀Ni-P合金织物相比，镀Ni-Cu-P合金织物的表面镀层更加均匀，致密性更好，并且铜比镍的电阻率更低。随着镀液中硫酸铜质量浓度的增加，Ni-Cu-P合金织物的电磁波屏蔽效能逐渐提高。当硫酸铜质量浓度为6 g/L时，织物在10 MHz ～ 20 GHz频率范围内的电磁屏蔽效能均在55 dB以上。

图5 硫酸铜质量浓度对化学镀织物表面电阻的影响Figure 5 Effect of CuSO4·5H2O mass concentration on surface resistance of electrolessly plated fabrics

图6 硫酸铜质量浓度对化学镀织物电磁屏蔽效能的影响:Figure 6 Effect of CuSO4·5H2O mass concentration on electromagnetic shielding effectiveness of electrolessly plated fabrics

3 结论

在PET织物上化学镀Ni-Cu-P三元合金时，随着镀液中硫酸铜质量浓度的增大，沉积速率呈现先增加后减小的变化趋势，所得镀层中的Cu含量逐渐增加，而Ni和P含量逐渐降低，镀层的结构会由非晶态向晶态过渡，织物的表面电阻明显下降，电磁波的屏蔽效能显著提高。当硫酸铜质量浓度为6 g/L时，沉积速率最大，所得织物的表面电阻降至0.19 Ω/□，电磁屏蔽效能在10 MHz ～ 20 GHz的频率范围内均在55 dB以上。

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［ 编辑：温靖邦 ］

Effect of copper sulfate amount in bath on microstructure and properties of electroless Ni-Cu-P alloy coated PETfabric //

LIANG Ke*， QIN Wen-feng， GUO Rong-hui

Ni-Cu-P alloy was electrolessly plated on PET fabric.The effect of CuSO4·5H2O mass concentration in bath on deposition rate， elemental composition， microstructure， conductivity and electromagnetic interference （EMI） shielding performance of the alloy deposit was studied.The results showed that with increasing CuSO4·5H2O mass concentration， the deposition rate of Ni-Cu-P alloy is increased initially and then decreased， Cu content in deposit shows a gradually increase while Ni and P contents are reduced， the deposit transforms from amorphous to crystalline， and the fabric obtained has a decreased surface resistance and an improved EMI shielding effectiveness.The fabric electrolessly plated with 6 g/L CuSO4·5H2O has a highest deposition rate， a surface resistance of 0.19 Ω/□， and an EMI shielding effectiveness over 55 dB.

polyethylene terephthalate； fabric； nickel-copper-phosphorus alloy； electroless plating； microstructure；electromagnetic interference shielding

TQ153.2

A

1004 - 227X （2016） 05 - 0234 - 04

2015-10-07

2016-01-10

国家自然科学基金民航联合基金重点项目（U1233202）。

梁科（1983-），男，四川西昌人，硕士，讲师，主要从事航电设备电磁屏蔽材料研究。
作者联系方式：（E-mail） liangkecafuc@126.com。