一种材料表面金属图案的光催化镀制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料表面处理技术领域，特别是提供了一种材料表面金属图案的光催化镀制备方法。
技术背景
[0002]随着电子信息、半导体照明、航空航天、汽车、装饰和国防军工等领域的快速发展，对材料表面进行金属图案化处理的需求日益增长，要求也越来越高。
[0003]目前对材料表面进行金属图案处理的常用方法有物理法、相减法和化学法。
[0004]对材料表面进行金属图案处理的物理法主要包括离子涂敷法、真空蒸发法、磁控溅射法等，这是公知的方法。虽然这些物理法能够很好地在材料表面形成结合强度优异、可靠性高且精细的金属图案，但是存在着需要昂贵的装置、产率较低、生产成本高等问题。
[0005]对材料表面进行金属图案处理的相减法是目前最通用的一种方法。事先在材料整个表面覆上一层金属膜，然后将位于多余位置上的金属膜通过照相平板印刷法，采用传统的蚀刻处理技术来去除，从而在材料表面获得所需的金属图案。虽然相减法具有产率高，易于形成金属图案等优点，但是在制备金属图案过程中需要将大量金属膜进行蚀刻去除，因此存在着金属材料浪费较大、环境污染严重，且难以获得高质量精细金属图案等问题。
[0006]对材料表面进行金属图案处理的化学法主要是化学镀。化学镀是指在不外加电源条件下，在具有催化活性的基体表面，利用溶液中的氧化还原反应将金属离子还原成金属原子的金属沉积过程。采用化学镀可实现包括金、银、铜、镍等多种金属的镀覆，在对材料表面进行金属图案处理的实际生产中被广泛应用。采用传统化学镀进行材料表面金属图案处理的主要工艺流程为粗化一敏化一活化一化学镀。传统的化学镀因其适用范围广、生产条件易于实现、产率高、易形成精细金属图案等优点而被广泛的应用，但存在一些缺点:①工艺繁琐，需要复杂的敏化、活化前处理活化过程中使用钯等贵金属，成本高镀层与基体结合力不牢固，致密性差；④使用氯离子等物质，对人体有害且存在环境污染问题。
[0007]由此可见，现有的对材料表面进行金属图案处理的方法都难以满足低成本、大规模、节能环保、产品质量高、生产条件易于实现以及获得精细金属图案等要求，因此开发一种成本低廉、短流程、设备投资少、工艺简便、绿色环保、批量化制备材料表面精细金属图案的方法，具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0008]本发明将纳米半导体光催化技术与传统化学镀技术相结合，以拟进行金属图案处理的表面沉积纳米半导体薄膜的基体材料为对象，将沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面直接浸入化学镀液中，并且将沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面对着光源，在光源和沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面之间放置模板(该模板由透光部分和不透光部分构成，其中透光部分的形状为拟制备的金属图案的形状，为镂空或透明的，而其余部分是不透光的)，打开光源，使光束通过模板上透光部分直线照射到沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面，在沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面照射出所需制备的图案光斑，通过一段时间的光照，利用光生电子的强还原性或光生空穴的强氧化性参与氧化还原反应，使得化学镀液中的金属离子在沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面被氧化还原为金属单质，产生初生金属层，之后以初生金属作为活性中心，在化学镀液中还原剂的作用下，在初生金属层上进行化学镀反应，实现金属离子在初生金属层上的继续还原沉积，在沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面形成所需厚度的精细金属图案镀层，开发出一种短流程、绿色、低成本的材料表面金属图案光催化镀制备方法，解决目前材料表面金属图案制备方法存在的所需设备昂贵、环境要求严、不易实现规模化制备、环境污染较大、工艺流程长、生产成本高、产品质量难以满足使用要求等问题。
[0009]一种材料表面金属图案的光催化镀制备方法，其具体工艺如下:
[0010]1、将沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面直接浸入化学镀液中，沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面对着光源；
[0011]2、在光源和沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面之间放置模板，将模板上的透光部分与沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面拟制备金属图案的部位精确对位；
[0012]3、打开光源，使波长为200?400nm的光束通过模板上的透光部分直线照射到沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面；
[0013]4、光照I?lOmin，使化学镀液中的金属离子在沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面被氧化还原为金属单质，产生初生金属图案镀层，反应期间维持镀液PH值为7?13 ;
[0014]5、继续对完成了氧化还原反应的沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面进行化学镀，反应温度30?50°C、反应时间60?240min，实现金属离子在初生金属图案镀层上的不断还原沉积，在沉积纳米半导体薄膜的基体材料表面获得一定厚度的精细金属图案镀层；
[0015]6、将表面镀覆了金属图案的基体材料取出，洗涤，晾晒或吹干，即完成了基体材料表面的金属图案制备。
[0016]所述纳米半导体薄膜是纳米二氧化钛薄膜、纳米氧化锌薄膜、经过掺杂改性的纳米半导体薄膜。
[0017]所述基体材料是金属材料、无机非金属材料、高分子材料或复合材料。
[0018]所述化学镀液的配方组成(质量百分数)为金属盐20?40%、还原剂20?35%、络合剂25?30%、稳定剂O?30% ;其中，所述金属盐为铜盐、镍盐、金盐、银盐、铝盐、铁盐、钴盐、锡盐、锌盐、铬盐、钼盐、钯盐、铂盐、钨盐或稀土盐，所述还原剂为HOCCOOH、HCHO,NaH2PO2.H2O 或 HO (CH2CH2O) ηΗ (η = 4 ?450)，所述络合剂为 KNaC4H4O6.4H20、EDTA_2Na 或C6H5Na3O7.2H20，所述稳定剂为 CltlH8N2或 K 4Fe (CN) 6.H2O0
[0019]所述模板由透光部分和不透光部分构成，其中透光部分的形状为拟制备的金属图案的形状，是镂空的或透明的，而其余部分是不透光的；所述模板是由金属材料、无机非金属材料、高分子材料或复合材料中的至少一种制成。
[0020]所述金属是铜、镍、金、银、铝、铁、钴、锡、锌、铬、钼、钯、铂、钨、稀土及其合金中的至少一种。
[0021]本发明的主要优点在于:
[0022]1、本发明以纳米半导体薄膜为过渡层，实现金属图案在基体材料表面的镀覆，纳米半导体薄膜表层的初始金属图案镀层厚度可达纳米级，且颗粒细小、均匀致密，有利于后续化学镀金属图案镀层的致密化，且基体材料与金属图案镀层之间的结合强度高，完全能够满足对表面金属图案化材料的高性能使用要求。
[0023]2、本发明利用纳米半导体材料在光照下能够氧化还原化学镀液中金属离子的特性，省略了传统金属图案化制备中的蚀刻或化学镀制备方法中的敏化、活化等工序，简化了材料表面金属图案的制备工艺，缩短了生产流程。
[0024]3、本发明无需使用钯、锡等贵金属元素，镀液中无氯离子等有害物质，具有生产成本低、绿色环保等优点。
[0025]4、本发明可实现在不同基体材料表面制备精细的金属图案，具有适用范围广、方便灵活，可以进一步推广应用等特点。
[0026]5、本发明可与后续其他表面处理技术相结合，不仅可以进一步提高生产效率，控制基体材料表面金属图案镀层的厚度，而且还能在基体材料表面制备层状复合图案镀层。
[0027]6、本发明具有设备投资少、环境要求不高、工艺简便、成本低、易于实现大规模制备等特点。
【具体实施方式】
[0028]以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
[0029]实施例1:
[0030]将沉积纳米氧化锌薄膜的铝合金板表面直接浸入配方组成(质量分数)为25%CuSO4.5H20 15g.L'30% HOCCOOH 7.4g.L'25% 混合络合剂(KNaC4H4O6.4H20 25g.L'EDTA-2Na 25g.Γ1)、20%混合稳定剂(C10H8N21mg.L'K4Fe (CN)6.H2O 30mg.Γ1)的化学镀液中，沉积纳米氧化锌薄膜的铝合金板表面对着光源；在光源和沉积纳米氧化锌薄膜的铝合金板表面之间放置塑料模板，塑料模板由透光部分和不透光部分构成，其中透光部分的形状为圆形，将塑料模板上的透光部分与沉积纳米氧化锌薄膜的铝合金板表面拟制备圆形铜图案的部位精确对位；打开光源，使波长为254nm的光束通过塑料模板上的透光部分直线照射到沉积纳米氧化锌薄膜的铝合金板表面；光照5min进行氧化还原反应，使得在沉积纳米氧化锌薄膜的铝合金板表面产生圆形的初生铜图案镀层，反应期间维持镀液PH值为12.5 ;对完成了氧化还原反应的沉积纳米氧化锌薄膜的铝合金板表面进行化学镀，反应温度400C、反应时间120min，实现铜离子在圆形的初生铜图案镀层上的继续还原沉积，在沉积纳米氧化锌薄膜的铝合金板表面获得一定厚度的精细圆形铜图案镀层；将表面镀覆了圆形铜图案的铝合金板取出，洗涤，吹干，即完成了铝合金板表面的圆形铜图案制备。
[0031]实施例2:
[0032]将沉积纳米二氧化钛薄膜的氧化铝陶瓷板表面直接浸入配方组成(质量分数)为 30% CuSO4.5H20 15g.U\30% H