Способ нанесения металлических покрытий на изделия

 

Сущность изобретения: получение медных покрытий проводят из раствора соли меди в диметилсульфоксиде при использовании импульсного тока промышленной частоты плотностью 35 ± 5 А/м² в течение 50 - 60 мин. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электронике, к нанесению гальванических покрытий и может быть использовано при нанесении электрических контактов и защитных покрытий на изделия из высокотемпературной сверхпроводящейй (ВТСП) керамики.

ВТСП-материалы все более широко используются в системах хранения и вывода энергии сверхпроводящих индуктивных накопителей, системах защиты сверхпроводящих магнитов и сверхпроводящих обмоток электрических машин [1] Для успешного использования изделий из ВТСП-материалов необходимо на их поверхности получить надежные контакты, которые бы не ухудшали сверхпроводящие свойства и не требовали бы применения дорогих материалов. Этим условиям вполне удовлетворяет предложенный способ, где в качестве контакта наносится медь.

Известные способы нанесения металлических покрытий на обычную керамику такие, как напыление, вжигание не приводят к успеху в случае, если изделия имеют сложную форму. Гальванические же покрытия можно наносить на изделия любой конфигурации.

Обычно при нанесении гальванических медных покрытий используются водные электролиты [2] Но доказано, что при действии влаги на ВТСП-керамику происходит ухудшение электрических характеристик, вплоть до исчезновения сверхпроводящих свойств [1] Следовательно, осаждение меди на ВТСП-керамику должно производиться из неводного электролита.

Известен способ электроосаждения сплава медь-свинец из диметилсульфоксида [3] который выбран за прототип. Исследованы электрохимические характеристики процесса выделения меди на твердом катоде из органических электролитов на металлическую подложку. Фактов же осаждения меди гальваническим путем из диметилсульфоксида (ДМСО) на ВТСП-керамику авторами в источниках научно-технической информации не обнаружено.

Целью изобретения является обеспечение возможности получения медных покрытий на изделиях из ВТСП-керамики типа YBa₂Cu₃O_x.

Это достигается тем, что, как и в прототипе, электроосаждение меди проводят из растворов ее солей в диметилсульфоксиде на таблетки керамики, которые формуют из порошка куприта иттрия-бария (ТУ 48-0531-375-87), но в отличие от известного способа процесс ведут используя импульсный ток промышленной частоты плотностью 35±5 А/м² в течение 50-60 мин. Для осаждения меди можно взять любую соль меди, которая бы растворялась в диметилсульфоксиде. Концентрация подбирается опытным путем и берется такая, при которой осаждение идет быстро и образуется качественное покрытие нужной толщины за возможно короткое время. В данном случае этим условиям удовлетворяет электролит с 1 Н. концентрацией азотнокислой меди в диметилсульфоксиде.

Для обеспечения контакта между изделием из ВТСП-керамики и проводником на медную поверхность изделия наносили припой путем погружения в разогретый сплав Розе. Таким образом на поверхности изделия из ВТСП-керамики получается готовый к пайке контакт, а медная поверхность защищается от окисления на воздухе.

Электроосаждение меди на изделие (таблетку) из ВТСП-керамики из раствора диметилсульфоксида осуществлялось в электрохимической ячейке, схема которой представлена на фиг.1.

Электрохимическая ячейка 1 представляет собой фторопластовый стакан 2, в который помещен медный анод в виде кольца с токоподводами 4, 5. Изделие (таблетка площадью S=1,6 см²) присоединяется через кольцевой зажим из стальной проволоки 6 к токоподводу 7, расположенному на крышке 8, и служит катодом. Электролит готовили, растворяя азотнокислую медь в диметилсульфоксиде (ДМСО), который является универсальным растворителем для органических и неорганических соединений. ДМСО имеет диэлектрическую постоянную ε 47, известно, что топокроводность раствора тем выше, чем выше значение ε ДМСО устойчив к процессам окисления и восстановления, вследствие чего область рабочих потенциалов в этом растворителе широка. Жидкое состояние сохраняет в интервале температур от 18-189^оС [3] На токоподводы 4, 5 подавали импульсный ток промышленной частоты, посредством диода Д-242 преобразованный из переменного от сети. Плотность импульсного тока контролировали амперметром и устанавливали в пределах 35±5 А/м². Блок-схема установки показана на фиг.2.

Скорость осаждения меди существенно зависит от катодной плотности тока. Чем выше значение плотности тока, тем больше скорость осаждения. Но значение плотности тока повышать можно лишь до определенного значения, после которого наступает нарушение процесса, наблюдается неправильное осаждение металла на краях катода в виде ветвистых наростов дендритов. Ввиду того, что покрываемая поверхность керамической таблетки неровная, чтобы получить гладкое медное покрытие, необходимо осадить медь до толщины не менее 5-7 мкм. Экспериментальным путем, рассчитывая толщину покрытия по результатам взвешивания образцов до и после осаждения, подобрали величину катодной плотности тока, времени осаждения, при которых получено розовое блестящее покрытие нужной толщины. Данные этих экспериментов занесены в таблицу.

Качественное по внешнему виду покрытие нужной толщины образуется при плотности тока 35±5 А/м² в течение 50-60 мин.

После электроосаждения меди для исследования сверхпроводящих свойств изделий из ВТСП-керамики проводилось измерение электросопротивления по мере его остывания в жидком азоте. Изделие помещалось в специальную ячейку, кривая зависимости электросопротивления от температуры R=f(T) записывалась двухкоординатным самописцем типа ПДП4-002.

На фиг.3 показаны кривые зависимости R=f(T) изделия до нанесения медного покрытия (а), после нанесения медного покрытия (б) и кривая (в) после покрытия медной поверхности сплавом Розе.

Как видно из кривых а, б, в, критическая температура перехода изделия в сверхпроводящее состояние практически не изменялась. При испытании образцов на сверхпроводимость они подвергались замораживанию до температуры жидкого азота и размораживанию. Медное покрытие не отслаивалось, значит оно обладает достаточной адгезией.

П р и м е р. Непосредственно перед нанесением покрытия готовили электролит. Для этого 4,7 г Cu(NO₃)₂ растворяли в 50 мл ДМСО. После растворения из ВТСП-керамики обрабатывали наждачной бумагой для лучшего сцепления покрытия с основой. Затем таблетку помещали в кольцевой зажим 6 (фиг.1) и опускали в электролит. На электрохимическую ячейку подавали переменный ток промышленной частоты, преобразованный диодом Д-242 в импульсный. По амперметру устанавливали силу тока 56 мА, что соответствует плотности тока 35 А/м². Электроосаждение проводили 60 мин, при этих условиях толщина покрытия 7 мкм. Затем таблетку вынимали, просушивали сухой салфеткой и покрывали припоем путем погружения таблетки в разогретый до 140^оС сплав Розе. После остывания до комнатной температуры измеряли зависимость R=f(T), график которой, представленный на фиг. 3, доказывает, что изделие не утратило сверхпроводящих свойств.

Формула изобретения

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗДЕЛИЯ, включающий электроосаждение меди из раствора ее солей в диметилсульфоксиде, отличающийся тем, что процесс осаждения ведут при использовании импульсного тока промышленной частоты плотностью (35 ± 5)А/м² в течение 50 - 60 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4