专利名称：在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压电化学实验反应设备，特别是一种电镀研究和电镀工艺控制的仪器设备，以超临界CO2或亚临界CO2/导电溶液构成的均相及多相体系中进行霍尔槽试验，应用于高压环境下进行电镀工艺和电镀液的开发试验。
背景技术：
电镀工艺是利用电化学原理在基体上沉积金属或合金镀层的表面处理技术，是金属膜材料制备最重要的手段之一，在国民经济各行业得到了广泛应用。目前现代工业和技术的快速发展，对电镀工艺的绿色环保化以及镀层的功能性提出了更高的要求。经研究发现，在导电溶液中引入超临界或亚临界CO2作为电化学反应介质可从本质上提高金属镀层的品质，有效解决传统电镀工艺的污染问题。目前已公开了在以超临界CO2或亚临界CO2/导电溶液构成的均相及多相体系中进行电镀的方法，如专利W002/016673A1公开的一种超临界CO2与电解质溶液进行电镀的方法；专利CN1918326A公开的CO2与金属盐水溶液共存条件下的电镀方法；专利CN101092716B公开的超临界流体维系电铸成型工艺及装置。与现有电镀技术相比，上述公开的技术获得的镀层表面无针孔，形成的结晶晶粒小，硬度高，耐腐蚀，而且可以减少电镀液的使用量，具有较好的开发前景。CO2共存条件下的电镀新工艺、新镀液配方很值得研究和开发，然而目前尚无适用于CO2共存条件下的电镀工艺和电镀液的开发试验的装置。常压下电镀工艺和电镀液的开发试验可供选择的方法有多种，例如:一种是在小型镀槽中利用小型工件做小试，但用液量大，且阴阳极距离近，不能真实反映大生产的几何因素对分散能力等的影响，只能作为新工艺，新配方等研发的第二阶段试验用；一种是烧杯内试验。小烧杯试验用液不多，但是只能反映某一特定电流密度下的情况；还有一种是霍尔槽试验。霍尔槽试验能用很少量的镀液一次试验便能得到在较宽的电流密度范围下镀层状况，是现代电镀方法研究、助剂开发及改进和镀液工艺维护控制等最简捷不可缺少的工具。但CO2需在304.3K、7.185MPa条件下才能达到超临界状态，普通的常压霍尔槽试验装置无法满足此种高压反应条件。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，解决常压霍尔槽试验装置无法满足高压反应条件的缺陷，并克服了常压霍尔槽试验装置常用的有机玻璃或硬聚氯乙烯等绝缘材料不能胜任高压条件特别是超临界或亚临界CO2中易膨胀劣化以及电极密封绝缘的问题，可以方便地在短时间内得到在较宽的电流密度范围镀液的电镀效果，为高压CO2存在下的电镀工艺研究、电镀液配方开发和电镀工艺控制提供帮助。为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置， 包括梯形反应器、阳极、阴极和外接电源，梯形反应器内盛放电镀液，梯形反应器的不平行的对边分别放置阳极和阴极形成两电极系统，阳极通过阳极电极导线接入外接电源的正极端，阴极通过阴极电极导线接入外接电源的负极端，还包括高压电化学反应釜、CO2输送系统、压力控制系统、温度控制系统和搅拌系统，梯形反应器设置于高压电化学反应釜内部，具体为:
高压电化学反应釜由紧密结合的釜盖和高压釜体构成，釜盖和高压釜体的结合处放置密封圈进行密封，釜盖与高压釜体通过紧固螺栓连接固定，阳极电极导线和阴极电极导线分别通过绝缘密封结构穿过釜盖；co2输送系统包括CO2气体钢瓶、高压泵、CO2高压导气管和CO2排气导管,CO2高压导气管和CO2排气导管分别穿过爸盖插入高压电化学反应爸内部，从CO2气体钢瓶输出的CO2气体进入高压泵泵腔内，经过高压泵压缩至所需压力，再通过CO2高压导气管，输送到高压电化学反应釜内，高压电化学反应釜内部的CO2气体还能通过CO2排气导管排出，高压泵优选采用手动刻度泵；压力控制系统包括钢瓶压力表、高压送气压力表、钢瓶出气控制阀、高压送气控制阀和CO2排气控制阀，钢瓶压力表直接实时测试CO2气体钢瓶内压，高压送气压力表设置于CO2高压导气管上,对CO2输送系统的供气压力进行实时检测，钢瓶出气控制阀安装在CO2气体钢瓶的出气口附近，作为CO2气体钢瓶的出气开关，高压送气控制阀设置于CO2高压导气管上，当高压电化学反应釜内的CO2压力达到试验要求时，即可关闭高压送气控制阀以保持高压电化学反应釜内的气压恒定，CO2排气控制阀设置于CO2排气导管上，作为高压电化学反应釜的排气开关；温度控制系统包括温度传感器和恒温槽，温度传感器的感温探头穿过釜盖插入高压电化学反应釜内部，恒温槽包括温控设备，由温度传感器检测高压电化学反应釜内的温度，并通过信号线将温度信号输入至温控设备，对高压电化学反应釜内的温度进行调节，使高压电化学反应釜内的温度达到实验所需的设定值；搅拌系统为电磁搅拌系统，包括磁力搅拌器和磁力搅拌子，磁力搅拌器设置于高压电化学反应釜外部，在高压电化学反应釜内靠近梯形反应器底部，设置搅拌电镀液的磁力搅拌子，磁力搅拌子的旋转速度通过磁力搅拌器控制调节。作为本发明技术方案，上述阳极电极导线和阴极电极导线分别穿过聚四氟乙烯套管与釜盖上的预留孔紧密结合，四氟乙烯套管即形成绝缘密封结构。
作为本发明改进的技术方案，通过利用聚四氟乙烯固定螺栓，使梯形反应器与高压电化学反应釜固定连接安装。上述梯形反应器最好由聚四氟乙烯材料制备。最好至少在上述阳极电极导线和上述阴极电极导线进入高压电化学反应釜的导线区段的导线外表包裹一层聚四氟乙烯绝缘层。上述阳极和阳极电极导线之间优选通过导电胶进行连接，阴极和阴极电极导线之间也优选通过导电胶进行连接，在导电胶外部及导线裸露部分涂抹环氧树脂绝缘胶。优选利用不锈钢密封压紧垫圈和不锈钢压紧螺帽配合，将温度传感器的测温探头固定，并在温度传感器穿过釜盖的区段与釜盖上的预留孔之间形成绝缘密封结构。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明试验装置能在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验，设备结构简单，工艺维护控制简捷，用液量少，应用方便；
2.本发明采用聚四氟乙烯材料，解决了常压霍尔槽试验装置常用的有机玻璃或硬聚氯乙烯等绝缘材料不能胜任高压条件特别是超临界或亚临界CO2中易膨胀劣化以及电极绝缘密封问题，可以方便地在短时间内得到高压环境下在较宽的电流密度范围镀液的电镀效果，对高压CO2存在下的电镀工艺开发、电镀液配方开发和电镀设备开发研究具有重要价值。
图1为本发明实施例一在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置结构图。图2为本发明实施例一的釜盖及釜盖上的电极系统、输气管路和感温探头分布示意图。图3为本发明实施例二的梯形反应器的结构示意图。
具体实施例方式本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
参见图1和图2，在本实施例中，一种在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，包括梯形反应器1、阳极2、阴极15和外接电源9，梯形反应器I内盛放电镀液，梯形反应器I的不平行的对边分别放置阳极2和阴极15形成两电极系统，阳极2通过阳极电极导线19接入外接电源9的正极端，阴极15通过阴极电极导线10接入外接电源9的负极端，还包括高压电化学反应釜、CO2输送系统、压力控制系统、温度控制系统和搅拌系统，梯形反应器I设置于高压电化学反应釜内部，外接电源9根据需要选择直流电源或脉冲电源，具体为: 高压电化学反应釜由紧密结合的釜盖13和高压釜体16构成，釜盖13和高压釜体16的结合处放置密封圈进行密封，釜盖13与高压釜体16通过紧固螺栓21连接固定，阳极电极导线19和阴极电极导线10分别通过绝缘密封结构穿过釜盖13 ;C02输送系统包括0)2气体钢瓶3、高压泵5、CO2高压导管7和CO2排气导管11，CO2高压导管7和CO2排气导管11分别穿过釜盖13插入高压电化学反应釜内部，从CO2气体钢瓶3输出的CO2气体进入高压泵5泵腔内，经过高压泵5压缩至所需压力，再通过CO2高压导管7，输送到高压电化学反应釜内，高压电化学反应釜内部的CO2气体还能通过CO2排气导管11排出；压力控制系统包括钢瓶压力表4、高压送气压力表6、钢瓶出气控制阀V-1、高压送气控制阀V-2和CO2排气控制阀V-3，钢瓶压力表4直接实时测试CO2气体钢瓶3内压，高压送气压力表6设置于CO2高压导管7上，对CO2输送系统的供气压力进行实时检测，钢瓶出气控制阀V-1安装在CO2气体钢瓶3的出气口附近，作为CO2气体钢瓶3的出气开关，高压送气控制阀V-2设置于CO2高压导管7上，当高压电化学反应釜内的CO2压力达到试验要求时，即可关闭高压送气控制阀V-2以保持高压电化学反应釜内的气压恒定，CO2排气控制阀V-3设置于CO2排气导管11上，作为高压电化学反应釜的排气开关；温度控制系统包括温度传感器8和恒温槽12，温度传感器8的感温探头穿过釜盖13插入高压电化学反应釜内部，恒温槽12包括温控设备，由温度传感器8检测高压电化学反应釜内的温度，并通过信号线将温度信号输入至温控设备，对高压电化学反应釜内的温度进行调节，使高压电化学反应釜内的温度达到实验所需的设定值；搅拌系统为电磁搅拌系统，包括磁力搅拌器17和磁力搅拌子18，磁力搅拌器17设置于高压电化学反应釜外部，在高压电化学反应釜内靠近梯形反应器I底部，设置搅拌电镀液的磁力搅拌子18，磁力搅拌子18的旋转速度通过磁力搅拌器17控制调节。高压电化学反应釜放置在磁力搅拌器17上，并与磁力搅拌器17—起放置在恒温槽12中，梯形反应器I内部放置磁力搅拌子18，通过调节反应釜下的磁力搅拌器18，可改变磁力搅拌子18的搅拌速度，使釜内电解液混合均匀，在外接电源9的作用下，实现高压环境下电镀工艺和电镀液开发。在本实施例中，在图1和图2中，CO2气体钢瓶3内的气体通过阀门V-1释放后进入高压泵5泵腔内，再经高压泵5压缩至所需压力，通过C02高压导气管7，进入高压电化学反应釜内，釜内压力由高压泵5调节，由设置在CO2高压导气管7上的高压送气压力表6显示，当釜内压力达到要求时关闭CO2高压导气管7上的高压送气控制阀V-2以保持釜内压力的恒定。釜内的温度由设在釜盖13上的温度传感器8传导，再通过导线将温度信号输入至恒温槽12的温控设备来设定调节，达到精确控制釜内温度的要求。在本实施例中，电解液加入高压电化学反应釜的梯形反应器I后，通过恒温槽12控温系统达到设定温度，导A CO2改变体系的压力条件，高压电化学反应釜可以承受的最高压力和温度分别为20MPa和 373.15K。
向梯形反应器I内注入电解液并放置磁力搅拌子18，选择合适的阴阳极，并将处理好的阳极2与阴极15用阳极电极导线19和阴极电极导线10连接好后，将电极导线穿过绝缘密封结构，利用不锈钢密封压紧垫圈，不锈钢压紧螺帽将电极导线固定并密封。盖上釜盖13，旋紧釜盖13上的紧固螺栓21，密封固定温度传感器8后，将高压釜体16置入保温加热装置恒温槽12内。连接高压电化学反应釜和CO2高压导气管7及CO2排气导管11。先开放各截止阀，即开钢瓶出气控制阀V-1、高压送气控制阀V-2和C02排气控制阀V-3，通入低压CO2气体除去管路与高压电化学反应釜内的其它气体，使用导线连接温度传感器8与恒温箱12的控温装置，并加热至设定温度。关闭CO2排气控制阀V-3，旋转手动刻度泵导入CO2使釜内压力达到设定要求后，关闭钢瓶出气控制阀V-1和高压送气控制阀V-2，使高压电化学反应釜保持高温高压状态。开启强磁的磁力搅拌器17使高温高压的磁力搅拌子18旋转至设定转速。高压送气压力表6上显示釜内的压力，温度传感器8显示釜内的温度，磁力搅拌器17显示磁力搅拌子18的旋转速度。打开外接电源9，在外接电源9的控制下，在不同电解液配方和不同电参数条件下在阴极基板上电沉积金属。反应结束后，将阴极基板取出，与赫尔槽标准样板对比，实现对高压环境下电镀工艺和电镀液的实验开发。在本实施例中，参见图1，阳极电极导线19和阴极电极导线10分别穿过聚四氟乙烯套管14与釜盖13上的预留孔紧密结合，聚四氟乙烯套管14即形成绝缘密封结构。利用不锈钢密封压紧垫圈和不锈钢压紧螺帽将各电极导线固定并密封，聚四氟乙烯绝缘套管保证各电极导线与釜体16绝缘，形成更加适用于高压条件下的电极与反应容器间连接的绝缘密封结构。在本实施例中，参见图1，梯形反应器I由聚四氟乙烯材料制备，梯形反应器I的尺寸及内容积与常压霍尔槽相同。梯形反应器I采用聚四氟乙烯材料，解决了常压霍尔槽试验装置常用的有机玻璃或硬聚氯乙烯等绝缘材料不能胜任高压条件下特别是在超临界或亚临界CO2中易膨胀劣化以及电极绝缘密封问题，可以方便地在短时间内得到高压环境下在较宽的电流密度范围镀液的电镀效果，对高压CO2存在下的电镀工艺开发、电镀液配方开发和电镀设备开发研究具有重要意义。实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，参见图3，通过利用聚四氟乙烯固定螺栓20，使梯形反应器I与高压电化学反应釜固定连接安装。固定螺栓采用聚四氟乙烯材料，解决了常压霍尔槽试验装置常用的有机玻璃或硬聚氯乙烯等绝缘材料不能胜任高压条件下特别是在超临界或亚临界CO2中易膨胀劣化以及电极绝缘密封问题，可以方便地在短时间内得到高压环境下在较宽的电流密度范围镀液的电镀效果，对高压CO2存在下的电镀工艺开发、电镀液配方开发和电镀设备开发研究具有重要意义。实施例三:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，至少在阳极电极导线19和阴极电极导线10进入高压电化学反应釜的导线区段的导线外表包裹一层聚四氟乙烯绝缘层，能适应以超临界CO2或亚临界CO2/导电溶液构成的均相及多相体系中进行霍尔槽试验，采用聚四氟乙烯绝缘涂层达到电极导线绝缘的目的。实施例四:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，阳极2和阳极电极导线19之间通过导电胶进行连接，阴极15和阴极电极导线10之间也通过导电胶进行连接，在导电胶外部及导线裸露部分涂抹环氧树脂绝缘胶，提高绝缘性能，提高装置使用寿命。实施例五:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，利用不锈钢密封压紧垫圈和不锈钢压紧螺帽配合，将温度传感器8的测温探头固定，并在温度传感器8穿过釜盖13的区段与釜盖13上的预留孔之间形成绝缘密封结构，达到更好的绝缘目的。上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目 的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，包括梯形反应器(I)、阳极(2)、阴极(15)和外接电源(9)，所述梯形反应器(I)内盛放电镀液，所述梯形反应器(I)的不平行的对边分别放置所述阳极(2)和所述阴极(15)形成两电极系统，所述阳极(2)通过阳极电极导线(19)接入所述外接电源(9)的正极端，所述阴极(15)通过阴极电极导线(10)接入所述外接电源(9)的负极端，其特征在于，还包括高压电化学反应釜、CO2输送系统、压力控制系统、温度控制系统和搅拌系统，梯形反应器(I)设置于所述高压电化学反应釜内部，具体为: 所述高压电化学反应釜由紧密结合的釜盖(13)和高压釜体(16)构成，所述釜盖(13)和所述高压釜体(16)的结合处放置密封圈进行密封，所述釜盖(13)与所述高压釜体(16)通过紧固螺栓(21)连接固定，所述阳极电极导线(19)和所述阴极电极导线(10)分别通过绝缘密封结构穿过所述釜盖(13)； 所述CO2输送系统包括CO2气体钢瓶(3)、高压泵(5)、CO2高压导气管(7)和CO2排气导管(11 )，所述CO2高压导气管(7 )和所述CO2排气导管(11)分别穿过所述釜盖(13 )插入高压电化学反应釜内部，从所述CO2气体钢瓶(3)输出的CO2气体进入所述高压泵(5)泵腔内，经过高压泵(5 )压缩至所需压力，再通过所述CO2高压导气管(7 )，输送到所述高压电化学反应釜内，所述高压电化学反应釜内部的CO2气体还能通过所述CO2排气导管(11)排出； 所述压力控制系统包括钢瓶压力表(4)、高压送气压力表(6)、钢瓶出气控制阀(V-1)、高压送气控制阀(V-2)和CO2排气控制阀(V-3)，所述钢瓶压力表(4)直接实时测试所述CO2气体钢瓶(3)内压，所述高压送气压力表(6)设置于所述CO2高压导气管(7)上，对所述CO2输送系统的供气压力进行实时检测，所述钢瓶出气控制阀(V-1)安装在所述CO2气体钢瓶(3 )的出气口附近，作为所述CO2气体钢瓶(3 )的出气开关，所述高压送气控制阀(V-2 )设置于所述CO2高压导气管(7)上，当所述高压电化学反应釜内的CO2压力达到试验要求时，即可关闭所述高压送气控制阀(V-2)以保持所述高压电化学反应釜内的气压恒定，所述CO2排气控制阀(V-3)设置于所述CO2排气导管(11)上，作为所述高压电化学反应釜的排气开关;` 所述温度控制系统包括温度传感器(8)和恒温槽(12)，所述温度传感器(8)的感温探头穿过所述釜盖(13)插入所述高压电化学反应釜内部，所述恒温槽(12)包括温控设备，由所述温度传感器(8)检测所述高压电化学反应釜内的温度，并通过信号线将温度信号输入至所述温控设备，对所述高压电化学反应釜内的温度进行调节，使所述高压电化学反应釜内的温度达到实验所需的设定值； 所述搅拌系统为电磁搅拌系统，包括磁力搅拌器(17)和磁力搅拌子(18)，所述磁力搅拌器(17)设置于所述高压电化学反应釜外部，在所述高压电化学反应釜内靠近梯形反应器(I)底部，设置搅拌电镀液的所述磁力搅拌子(18)，所述磁力搅拌子(18)的旋转速度通过所述磁力搅拌器(17 )控制调节。
2.根据权利要求1所述的在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，其特征在于:所述阳极电极导线(19)和所述阴极电极导线(10)分别穿过聚四氟乙烯套管(14)与所述釜盖(13)上的预留孔紧密结合，所述聚四氟乙烯套管(14)即形成绝缘密封结构。
3.根据权利要求1或2所述的在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，其特征在于:通过利用聚四氟乙烯固定螺栓(20)，使所述梯形反应器(I)与所述高压电化学反应釜固定连接安装。
4.根据权利要求1或2所述的在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，其特征在于:所述梯形反应器(I)由聚四氟乙烯材料制备。
5.根据权利要求3所述的在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，其特征在于:所述梯形反应器(I)由聚四氟乙烯材料制备。
6.根据权利要求1或2所述的在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，其特征在于:至少在所述阳极电极导线(19)和所述阴极电极导线(10)进入所述高压电化学反应釜的导线区段的导线外表包裹一层聚四氟乙烯绝缘层。
7.根据权利要求3所述的在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，其特征在于:至少在所述阳极电极导线(19)和所述阴极电极导线(10)进入所述高压电化学反应釜的导线区段的导线外表包裹一层聚四氟乙烯绝缘层。
8.根据权利要求3所述的在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，其特征在于:所述阳极(2)和所述阳极电极导线(19)之间通过导电胶进行连接，所述阴极(15)和所述阴极电极导线(10)之间也通过导电胶进行连接，在导电胶外部及导线裸露部分涂抹环氧树脂绝缘胶。
9.根据权利要求3所述的在高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，其特征在于:利用不锈钢密封压紧垫圈和不锈钢压紧螺帽配合，将所述温度传感器(8)的测温探头固定，并在所述温度传感器(8)穿过所述釜盖(13)的区段与所述釜盖(13)上的预留孔之间形成绝缘密封结构。
全文摘要
本发明公开了一种高压环境下进行电镀工艺和电镀液开发试验的装置，包括梯形反应器、阳极、阴极、外接电源、高压电化学反应釜、CO2输送系统、压力控制系统、温度控制系统和搅拌系统，并具有适用于高压条件下的电极与反应容器间连接的绝缘密封结构，在解决常压霍尔槽试验装置无法满足高压反应条件的缺陷，并克服了常压霍尔槽试验装置常用的有机玻璃或硬聚氯乙烯等绝缘材料不能胜任高压条件特别是超临界或亚临界CO2中易膨胀劣化以及电极密封绝缘的问题，可以方便地在短时间内得到在较宽的电流密度范围镀液的电镀效果，为高压CO2存在下的电镀工艺研究、电镀液配方开发和电镀工艺控制提供帮助。
文档编号C25D21/12GK103173842SQ20131005775
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者鄢浩 申请人:上海大学