一种改进的电沉积方法技术

本公开的实施例提供了一种用于电沉积的电解质溶液(107)的制备方法。该方法包括将纳米粒子(133)分散在含有表面活性剂(132)的水溶液中，以在溶液中形成纳米粒子

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种改进的电沉积方法


[0001]本专利技术涉及改进的电沉积方法、溶液和设备以及使用该方法制造的部件。

技术介绍

[0002]电沉积是一种可用于形成金属部件的工艺。例如，一个部件可以通过将阴极模芯浸没在电镀液中电沉积而得到，随后可以用机械或化学方式移除模芯。这种工艺可以称为电铸。电解质包括金属离子，其在阴极被还原并沉积为金属层。镍是一种常用的电沉积材料，例如用于制作模板或模具。
[0003]电沉积模具可用于复制母版(即模芯)，例如，用于制造精密成形的塑料部件(例如，用于微流体或光学应用)。
[0004]当电沉积用于制造模具时，电镀层通常具有相对大的厚度(例如，0.5mm至5mm)，并且电沉积制造模具可能需要大量工艺时间(例如，一天到一周)。通常要求模具具有光滑的表面光洁度(即低表面粗糙度)、高形状精度和高微米及纳米级结构的复制能力。同样重要的是，模具应具有高的耐磨性。这是微成型领域的一个重大挑战，因为微米和纳米尺度的结构很容易磨损。
[0005]纳米粒子可以定义为在纳米尺度上具有至少一个维度在1至100nm范围内的粒子。许多纳米粒子具有较好的机械和摩擦学性质，可以用来表面改性材料的性质。例如，纳米复合材料(例如，模芯复合有纳米粒子)具有优异的机械性能。
[0006]尽管电沉积已经有了显著的进步，但仍有很大的改进空间。

技术实现思路

[0007]根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于电沉积的电解质溶液的制备方法，包括：将纳米粒子分散在含有表面活性剂的水溶液中，以在溶液中形成纳米粒子
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表面活性剂胶束复合物的分散体；加入含有金属离子的电解质；改变非表面活性剂的浓度以在很大程度上防止纳米粒子的沉降。
[0008]表面活性剂可以是非离子表面活性剂。纳米粒子可以是(或包括)2D纳米粒子。
[0009]电解质可包含润湿剂、pH缓冲剂和/或晶粒细化剂和平整剂中的至少一种。
[0010]防止沉降是指在24小时沉淀时间后90％的纳米粒子仍悬浮在溶液中。
[0011]可以改变非离子表面活性剂的浓度以抑制纳米粒子的团聚。
[0012]抑制团聚是指粒子尺寸远低于亚微米级并形成稳定的悬浮液而没有沉淀物，并且可以沉积在阴极表面上，从而改善涂层或模具的功能特性。
[0013]金属离子可以包括镍离子。
[0014]水溶液可包含氨基磺酸镍。
[0015]氨基磺酸镍的浓度可以在200至500克/升之间。
[0016]水溶液中非离子表面活性剂的浓度可以是临界胶束浓度(CMC)的至少40％或至少
0.4克/升。例如，pluronic F127的CMC约为1000ppm～1克/升。
[0017]非离子表面活性剂的质量/体积浓度可以是纳米粒子质量/体积浓度的5至20倍。
[0018]纳米粒子可以包括氧化石墨烯纳米片。
[0019]分散在水溶液中的纳米粒子的浓度可以在0.02至0.2克/升之间。
[0020]非离子表面活性剂可以包括以下的化合物：非离子三嵌段共聚物；泊洛沙姆(例如(聚乙二醇)
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(聚乙二醇)
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(聚乙二醇)，pluronic F127或P123)；聚山梨醇酯80(例如Tween80)；聚乙二醇硬脂醇(Brij700/S100)。
[0021]分散纳米粒子可以包括使用超声波和/或机械搅拌搅拌电解质溶液。
[0022]该方法可以进一步包括将晶粒细化剂加入到水溶液中。
[0023]晶粒细化剂可包含糖精。
[0024]糖精可以在水溶液中以0.02至0.5克/升的浓度添加。
[0025]根据第二方面，提供了一种用于金属电沉积的电解液，包括：金属离子；二维纳米粒子的稳定分散体；表面活性剂，其浓度选择为能够防止纳米粒子沉降的浓度。
[0026]在一些实施例中，纳米粒子不需要是2D材料类型。
[0027]2D纳米粒子可以包括氧化石墨烯纳米板、石墨烯纳米片、二硫化钼和六方氮化硼中的至少一种。
[0028]非离子表面活性剂的浓度可以是临界胶束浓度的至少40％，或至少0.4克/升。
[0029]金属离子可以包括镍离子。
[0030]水溶液可以包含氨基磺酸镍。
[0031]氨基磺酸镍的浓度可以在200至500克/升之间。
[0032]纳米粒子可以包括氧化石墨烯。
[0033]分散在水溶液中的纳米粒子的浓度可以在0.05至1克/升之间。
[0034]非离子表面活性剂可包含选自以下的化合物：非离子三嵌段共聚物；泊洛沙姆(例如(聚乙二醇)
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(聚乙二醇)
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(聚乙二醇)，pluronic F127或P123)；聚山梨醇酯80(例如Tween 80)；聚乙二醇硬脂醇(Brij 700/S100)。
[0035]电解质溶液还可包含晶粒细化剂。
[0036]晶粒细化剂可包含糖精。
[0037]糖精的浓度在0.02至0.5克/升之间。
[0038]可以根据第一方面制备电解质溶液。
[0039]根据第三方面，提供了一种制造部件的方法，包括：根据第一方面制备电解质溶液；从电解液中电沉积金属部件。
[0040]可以根据第二方面选择电解质溶液，包括其任何可选特征。
[0041]该部件可以是模具。
[0042]该方法可进一步包括在电沉积期间搅拌电解质溶液。搅拌可包括超声搅拌。
[0043]根据第四方面，提供了使用第三方面的方法形成的部件。
[0044]部件厚度至少为0.5mm。
[0045]部件可包括线宽为1mm或更小或0.5mm或更小的特征。
[0046]该部件的维氏硬度至少为500HV。
[0047]该部件具有小于0.5的球盘摩擦系数。
[0048]该部件可以包括模具。
[0049]该部件具有表面粗糙度Ra小于50nm的表面。
[0050]根据第五方面，提供了一种使用电沉积工艺制备2D材料增强金属纳米复合永久自润滑高性能微/纳米结构模具的方法，该方法包括：通过超声波或高速剪切搅拌制备自组装表面活性剂和2D材料的水分散体；通过将自组装表面活性剂和2D材料的水分散体与金属或金属合金电沉积溶液混合并通过超声搅拌进一步分散2D材料以均匀分布来制备电解质溶液；将LIGA或UV
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LIGA工艺得到的微纳结构阴极母板和阳极放入电镀槽中，在阴极母板和阳极之间通电，从而在阴极上电沉积高性能微纳结构模具。
[0051]可选地：i)金属或金属合金电解质溶液包括氨基磺酸镍、硫酸镍、氨基磺酸铜、硫酸铜或硫酸镍
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硫酸钴；ii)母版包括从500微米到10纳米的线宽；iii)2D材料包括包含氧化石墨烯纳米片或石墨烯纳米片、二硫化钼和六方氮化硼2D材料中的至少一种的纳米粒子；iv)模具具有自润滑性能，无分层现象；v)2D材料的分散必须本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电沉积的电解质溶液的制备方法，包括：将纳米粒子分散在含有表面活性剂的水溶液中，以在水溶液中形成纳米粒子
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表面活性剂胶束复合物的分散体；加入含有金属离子的电解质；其中，选择的所述表面活性剂的浓度以从根本上防止所述纳米粒子沉积。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属离子包括镍离子。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水溶液包含氨基磺酸镍。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氨基磺酸镍的浓度为200
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500克/升。5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，非离子表面活性剂在所述水溶液中的浓度为临界胶束浓度的至少40％或至少0.4克/升。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述纳米粒子包括二维纳米材料粒子。7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分散在所述水溶液中的所述纳米粒子的浓度在0.02至0.2克/升之间。8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述表面活性剂是非离子表面活性剂。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述表面活性剂包括以下至少一种：非离子三嵌段共聚物；泊洛沙姆；聚山梨醇酯80；聚乙二醇硬脂醇。10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分散所述纳米粒子包括使用超声波和/或机械搅拌搅拌所述电解质溶液。11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括向所述水溶液中加入晶粒细化剂。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述晶粒细化剂包括糖精。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述糖精加入到浓度为0.02
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0.5克/升的所述水溶液中。14.一种制造部件方法，包括：根据上述权利要求中任一项制备电解质溶液；从所述电解质溶液中电沉积金属部件。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括在电沉积过程中搅拌所述电解质溶液。16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述搅拌包括超声搅拌。17.一种部件，所述部件使用如权利要求14
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【专利技术属性】
技术研发人员：张楠，房丰洲，张宏刚，
申请(专利权)人：爱尔兰国立大学都柏林大学，
类型：发明
国别省市：