СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ

Предлагаемые для рассмотрения материалы заявки относятся к области гальванических технологий и направлены на металлизацию диэлектриков различной природы, степени дисперсности, размеров и геометрической конфигурации частиц путем электролитического осаждения на них металла.

Металлизированные диэлектрики могут применяться в различных технических областях, когда требуется обеспечить электро- и теплопроводность тех или иных деталей, узлов и изделий при сниженных расходах на металлы и на их переработку традиционными методами. Они применимы также при решении проблем минимизации массы конструкционных узлов.

Известны различные способы нанесения металлических покрытий как на электропроводящие материалы, так и на диэлектрики.

Известен способ нанесения металлического покрытия на материал в виде порошка или гранул (пат. Японии №2949952). В соответствии со способом материал в виде токопроводящих зерен порошка или гранул погружают в электролитический раствор и наносят металлические покрытия электролитическим осаждением при перемешивании. Недостатками способа следует считать неравномерность получаемого покрытия из-за прилипания частиц к катоду. В способе не предусмотрено нанесение сульфидных покрытий, что благоприятствовало бы лучшему сцеплению металла с поверхностью частиц. Кроме того, способ применим только для токопроводящих материалов и частиц с плотностью, превышающей плотность раствора. При этом частицы образуют слой на дне емкости, что и препятствует равномерности покрытия частиц по всей его толщине.

Известен способ нанесения многослойного покрытия на диэлектрический материал (пат. РФ №2177051). Способ заключается в последовательной обработке материала сорбционными водными растворами с поэтапной промывкой и сульфидированием, последующей сушкой и электролитическим нанесением металла из раствора. Результатом является образование композиционного покрытия на основе никеля и его сплавов с включением сульфидов или селенидов ряда металлов. Недостатком способа является нестабильность параметров растворов и, как следствие, недостаточная равномерность получаемого покрытия.

Известен способ металлизации керамических изделий (пат. США №5849170). В соответствии с этим способом диэлектрическую подложку (исходный материал) очищают органическим растворителем, затем производят двукратное щелочное протравливание с последующей водной промывкой и термообработкой. После повторного протравливания производят химическую металлизацию тонким слоем металла с последующим осаждением меди, никеля, серебра. Достаточной равномерности осаждаемого металлического покрытия способ не обеспечивает. Проведения сульфидирования поверхностей перед нанесением покрытий способ не предусматривает.

Известны отечественные изобретения (А.С. СССР №619542; А.С. СССР №895542), направленные на металлизацию полимеров с предварительной обработкой растворами серы в щелочи (сульфидирование) и последующим покрытием из растворов солей металлов, например подгруппы железа. Остается неясным, в какой степени эти способы приемлемы и эффективны при металлизации мелкодисперсных диэлектрических порошков неорганической природы, например, насколько операция сульфидирования по этим изобретениям эффективна для мелкодисперсных сферических частиц.

В патенте РФ №2413039 предложен способ, предусматривающий предварительную термическую и кислотную обработку материала с последующей промывкой водой и сульфидированием для нанесения токопроводящего покрытия.

Однако необходимость в длительной предварительной термической обработке обрабатываемых гранул при высоких до 1000°С температурах делает способ энергозатратным и создает условия для осмоления и закоксовывания органических остатков, которые с поверхностей гранул сложного рельефа полностью удалить в процессе предложенной предварительной обработки затруднительно. Тем не менее этот способ наиболее близок к заявляемому и поэтому принят авторами в качестве прототипа.

Технической задачей предлагаемой заявки является разработка способа металлизации диэлектриков, обеспечивающего равномерное и полное покрытие поверхности диэлектрика слоем металла заданной толщины.

Поставленная задача решается в способе металлизации диэлектрических частиц, включающем очистку металлизируемых частиц и процесс сульфидирования, в котором дополнительно перед сульфидированием частицы калибруют путем просеивания, отбирая частицы размером 0,01-2 мм, промывают их в смеси органических растворителей, а затем подвергают их ступенчатому нагреву до 150-160°С с интервалом 20°С, выдерживая на каждой ступени по 10 минут, после чего частицы сульфидируют и осуществляют электролитическое осаждение металла на частицы. Равномерное соприкосновение электролитического раствора с поверхностью частиц обеспечивают в электролитической ванне путем прокачки раствора. Промывка частиц смесью растворителей и последующий их нагрев обеспечивают удаление продуктов разложения органических примесей с поверхности частиц.

Предложенная последовательность операций подготовки частиц к процессу металлизации, а именно промывка в смеси органических растворителей и ступенчатый нагрев калиброванных частиц, является новой и неизвестной из уровня техники.

Предлагаемый для рассмотрения способ осуществляют следующим образом.

Частицы для металлизации измельчают, просеивают и подвергают предварительной обработке для удаления органических и других загрязнений. Затем помещают в шкаф для ступенчатого нагрева. После термической обработки частицы промывают, сульфидируют и переносят в электролитическую ванну, где проводят электролитическое осаждение металла на частицы при непрерывном перемешивании за счет прокачки электролитического раствора (ЭЛР).

Прокачку раствора можно проводить как в одном направлении, так и в противоположных направлениях попеременно. Входные отверстия между трубопроводом системы прокачки и боковыми стенками емкости могут быть полностью закрыты кислотостойкими тканевыми экранами. При выполнении способа используют один электрод или несколько электродов, взаимное расположение которых зависит от количества и свойств частиц диэлектрика, а также от необходимой интенсивности проведения процесса. На входе и выходе системы, прокачивающей раствор, могут располагаться дополнительные электроды со сквозными отверстиями.

Предлагаемый способ поясняют следующие примеры.

Пример 1

Отбирают частицы сферической формы (стеклошарики) размером 0,01 мм - 0,1 мм в количестве 400 г, обрабатывают в смеси, содержащей 150 г гептана, 100 г пропанола, 100 г ацетона, в течение 10 мин при интенсивном встряхивании. Затем смесь растворителей удаляют декантацией, выдерживают в открытой емкости 15 мин и промывают 3-5 мин проточной водой для вымывания адсорбированных компонентов тройной системы. Промывают при встряхивании в емкости 3% раствором КОН в течение 5 мин и вновь проточной водой 3-5 мин. Вместе с емкостью помещают в термошкаф. Через 5 мин поднимают температуру до 40°С, затем до 60°С и далее через 20°С до 150°С. Выдерживают при 150°С 10 мин. Охлаждают при открытой дверце шкафа до комнатной температуры. Затем проводят операцию сульфидирования при 65°С в течение 30 мин.

Состав раствора для сульфидного покрытия:

Покрытые сульфидом свинца частицы помещают в ванну с ЭЛР и системой прокачки раствора. Проводят покрытие никелем при следующих условиях: температура 53°С, катодный ток 3 А/дм².

Состав электролита:

Среда электролита кислая.

При этом обеспечивается равномерно сплошное покрытие никелем. Покрытые частицы промывают и сушат.

Пример 2

Отбирают частицы калиброванного гранитного отсева по форме, близкой к сферической, размером 0,2-2,0 мм в количестве 500 г и обрабатывают в смеси, содержащей 130 г гептана, 50 г гексана, 120 г этанола, 120 г ацетона в течение 12 мин при интенсивном встряхивании. Смесь растворителя растворяют декантацией. Частицы промывают при встряхивании 2% раствором NaOH в течение 5 мин. Затем промывают проточной водой в течение 5 мин. Вместе с емкостью помещают в термошкаф, через 10 мин поднимают температуру до 40°С и далее через 20°С до 150°С. Выдерживают 10 мин. Охлаждают до комнатной температуры при открытой дверце шкафа. Промытые в воде частицы помещают в раствор для сульфидирования следующего состава:

Выдерживают в растворе 0,5-1 мин при температуре 18-25°С. Затем частицы окунают в воду на 0,1-0,2 мин, переносят в раствор сульфида натрия с температурой 18-25°С и концентрацией 10-50 г/л на 0,1-0,5 мин. Наносят сплав никель-кобальт в электролитическом растворе следующего состава:

Температура нанесения 54-56°С при плотности тока 1,0-8,0 А/дм², при рН 3,7. Соотношение площадей никелевых и кобальтовых анодов составляет 2:1.

Пример 3

Отбирают частицы сферической формы (керамические частицы на основе оксида алюминия) размером 0,05-0,5 в количестве 800 г, обрабатывают в смеси, содержащей 150 г гептана, 150 г гексана, 100 г этанола, 150 г ацетона и изопропанола 150 г, в течение 15 мин при интенсивном встряхивании. Смесь растворителя растворяют декантацией. Частицы промывают при встряхивании 2% раствором КОН в течение 6 мин. Затем промывают проточной водой в течение 5 мин. Вместе с емкостью помещают в термошкаф, через 10 мин поднимают температуру до 40°С и далее через 20°С до 160°С. Выдерживают 10 мин. Охлаждают до комнатной температуры при открытой дверце шкафа. Промытые в воде частицы помещают в раствор для сульфидирования следующего состава:

Частицы покрывают никелем в соответствии с примером 1 заявляемого способа, а затем подвергают электролитическому меднению. Для этого покрытые никелем частицы переносят в электролитическую ванну меднения и покрывают их слоем электролитической меди в электролите следующего состава:

Техническая задача предлагаемой заявки, направленная на разработку способа металлизации диэлектриков, обеспечивающего равномерное и полное покрытие заданной толщины, решена.

Выводы

Предлагаемый способ наилучшим образом применим к неорганическим диэлектрическим частицам в виде гранул формы, близкой к сферической, например к частицам стекла, оксидам металлов и твердым оксидам неметаллов. Проводимое ступенчатое через 20°С нагревание до 150-160°С позволяет постепенно, без резкого вскипания, осмоления и закоксовывания окончательно удалить адсорбированные на поверхности частицы, т.е. полностью удалить органические загрязнения, что в дальнейшем обеспечивает эффективное сульфидирование, сплошность и прочность сцепления металла с частицами диэлектрика без отслаивания металлического покрытия. При реализации способа отпадает необходимость в неоднократных операциях прогрева до высоких температур, проводимых по способу прототипа. При этом достигается значительное сокращение экономических, трудовых и энергозатрат при стабильности получаемых результатов.

Данный способ был разработан и опробован в ОАО «Технологическое оснащение» в г.Санкт-Петербурге, и его применение обеспечило выполнение поставленных технических задач.