一种抛光和氧化铜表面的方法与流程

本发明是一种抛光和氧化铜表面的方法，属于金属表面处理技术领域。

背景技术：

铜具有良好的导电性和在高温下优异的催化活性，因此能够作为基底用于沉积膜材料，比如石墨烯膜和金刚石膜。要提高沉积膜的质量，需要铜基底具有均匀的精整表面。传统的机械抛光耗时长、且易因人工操作偏差无法获得精整表面。另外，机械抛光不适用于精密及结构复杂件的表面精整化。电化学抛光不受构件形状的限制，具有抛光效果好、效率高、污染小、可控性强等特点。

氧化铜具有优异的电化学活性，因此在催化分解、气敏传感器、化学物质检测、超级电容器等领域具有极大的应用潜力。铜在空气中能够在表面自然形成一层氧化膜，然而其氧化膜的厚度无法控制。其他在铜表面生产氧化膜的方法，如水热法、加热法、化学氧化法等，大多需要用到高温高压环境或者有毒溶剂。另外，目前大多抛光和氧化铜表面的方法是相互独立的。

电化学方法在电解液中进行，可调控因素多、适用于复杂表面，在金属表面处理方面具有极大的应用前景。目前，铜的阳极氧化主要在强碱溶液中进行，缺乏对表面形貌的调控。铜的电化学抛光主要在强酸中进行，使得铜表面的氧化膜不能存在。

因此，开发一种便捷可控的方法，能够同时实现铜表面的抛光和氧化具有重要的研究意义和应用价值。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种抛光和氧化铜表面的方法，其目的是提供一种简单、高效、可控的抛光和氧化铜表面的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种抛光和氧化铜表面的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、抛光液的配制：选择醋酸体系的电化学抛光溶液；

步骤二、样品前处理：将铜箔置于重量百分比浓度为5％的盐酸水溶液中超声清洗5～10min，然后用去离子水清洗，再置于异丙醇或挥发性有机溶剂中超声清洗5～10min，最后用冷风吹干；

步骤三、电化学抛光和氧化：采用三电极循环伏安法对铜箔表面进行同步抛光和氧化；

步骤四、样品清洗：将经电化学抛光和氧化处理后的铜箔取出立即放于去离子水中清洗，然后放于异丙醇中清洗，干燥。

进一步，所述的抛光液为重量百分比浓度为10～90％的醋酸水溶液。

进一步，所述的抛光液为添加了粘度调节剂、配合物、光亮剂以及缓蚀剂的醋酸体系的电化学抛光溶液。

进一步，所述的挥发性有机溶剂为乙醇或丙酮。

进一步，所述的三电极循环伏安法采用的参比电极为ag/agcl，对电极为铂，工作电极为铜，三电极循环伏安法采用的电压范围为-3v～3v，扫描速率为1～100mv/s，循环次数为1～30，停止电位为0.5～3v。

本发明技术方案采用弱酸电解液，采用循环伏安法，通过扫描电压、扫描速度和循环次数的相互匹配调控铜表面粗糙度，通过停止电位调控铜表面氧化膜的厚度，实现抛光和氧化铜表面的过程结合，提升材料制备效率。

本发明方法具有以下有益效果：

(1)在三电极循环伏安法的电化学过程中同时实现铜表面的抛光和氧化，简单便捷，效率高；

(2)在三电极循环伏安法的电化学过程中，当氧化膜的生成速度大于弱酸对氧化膜的消耗速度时，氧化层厚度不断增加，通过停止电位的改变调控铜表面氧化膜的厚度；

(3)通过扫描电压、扫描速度及循环次数的匹配调控铜表面的粗糙度；

(4)能够完成复杂形状铜构件表面的抛光和氧化。

附图说明

图1为本发明的实施例2中抛光和氧化前的铜箔的表面化学状态图；

图2为本发明的实施例2中经过抛光和氧化后的铜箔的表面化学状态图；

图3为本发明的实施例2中抛光和氧化前的铜箔的光镜形貌图；

图4为本发明的实施例2中经过抛光和氧化后的铜箔的光镜形貌图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明作进一步地详述：

实施例1：

该种抛光和氧化铜表面的方法的步骤如下：

步骤一、抛光液的配制：将醋酸与去离子水混合均匀，得到重量百分比浓度为10～90％的醋酸水溶液；

步骤二、样品前处理：剪取尺寸为1cm*3cm的铜箔，置于重量百分比浓度为5％的盐酸水溶液中超声清洗5min，然后用去离子水清洗，再置于异丙醇或挥发性有机溶剂中超声清洗5min，最后用压缩氮气吹干；

所述的挥发性有机溶剂为乙醇或丙酮；

步骤三、电化学抛光和氧化：以醋酸水溶液为电解液、ag/agcl为参比电极、铂片为对电极、清洗后的铜箔为工作电极进行三电极循环伏安法同步抛光和氧化，设置循环测试的参数为：初始电位为-1v、高电位为1v、低电位为-1v、终止电位为0.6v、循环扫描速度为10mv/s、循环段数为5。

步骤四、样品清洗：将经电化学抛光和氧化处理后的铜箔取出立即放于去离子水中清洗，再放入异丙醇中超声处理3min，取出用压缩氮气吹干。

实施例2：

该种抛光和氧化铜表面的方法的步骤如下：

步骤一、抛光液的配制：将100ml水、50ml醋酸、50ml酒精、10ml异丙醇和1g尿素混合搅拌均匀，制备醋酸体系的电化学抛光液；

步骤二、样品前处理：剪取尺寸为1cm*2cm的铜箔，将铜箔置于重量百分比浓度为5％的盐酸水溶液中超声清洗5min，然后用去离子水清洗，再置于异丙醇或挥发性有机溶剂中超声清洗5min，最后用压缩氮气吹干；

所述的挥发性有机溶剂为乙醇或丙酮；

步骤三、电化学抛光和氧化：以电化学抛光液为电解液、ag/agcl为参比电极、铂片为对电极、清洗后的铜箔为工作电极进行三电极循环伏安法同步抛光和氧化，设置循环测试的参数为：初始电位为-0.8v、高电位为0.8v、低电位为-0.8v、终止电位为0.8v、循环扫描速度为5mv/s、循环段数为7。

步骤四、样品清洗：将经电化学抛光和氧化处理后的铜箔取出立即放于去离子水中清洗，再放入异丙醇中超声处理3min，取出用压缩氮气吹干。

由图1和图2可知，经过所述电化学过程后，铜基底表面的含氧键具有明显的增加，表明铜的有效氧化。由图3和图4的光镜形貌图可知，经过所述电化学过程后，铜基底表面的加工条纹消失，变得比较平整。

技术特征：

技术总结
本发明是一种抛光和氧化铜表面的方法，该方法采用弱酸电解液，采用循环伏安法，通过扫描电压、扫描速度和循环次数的相互匹配调控铜表面粗糙度，通过停止电位调控铜表面氧化膜的厚度，实现抛光和氧化铜表面的过程结合，提升材料制备效率。本发明方法操作简单、便利，抛光后的铜表面光滑，粗糙度降低，同步在铜表面制备氧化层。另外可通过扫描电压、扫描速度和循环次数调控铜表面粗糙度，通过停止电位调控铜表面氧化膜的厚度。

技术研发人员：张儒静;何利民;许振华;李娜;汤智慧
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：2019.01.15
技术公布日：2019.05.21