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课程设计样本
本科课程设计
[工程塑料导电耐磨方案设计]
学生姓名：
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年级专业：
指导教师：
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二〇**年**月
摘要
非金属表面金属化的方法有喷镀、电镀（包括化学镀）、真空蒸镀、阳极溅射、离子镀等多种工艺，但目前在工业中应用最多的是电镀工艺。
非金属电镀是指在非金属材料表面上，采用特殊的加工的方法获得一层金属层，使之具有非金属材料和金属材料的优点。
非金属的电镀技术，是随着物理化学、化学动力理论的发展，尤其是高分子合成材料和电子工业凡人高速发展而发展起来的。
非金属材料（特别是塑料制品）金属化后，可以获得导电、电磁、耐磨、抗老化、可焊接等性能，从而使非金属材料的装饰性和功能性增强，使用范围增宽。
关键词：
非金属材料电镀，化学镀，耐磨，抗老化
ABSTRACT
Thesurfaceofthemetalnonmetalmethodhavesprayplating,electroplating（includingchemicalplating）,vacuumplating,sputtering,steamanodeionplatingandsoonmanykindsofprocess,butatpresent,theapplicationinindustryisthelargestplatingprocesses.
Nonmetallicelectroplatingistopointtoinnonmetallicmaterialonthesurface,theuseofspecialprocessingmethodforametallayer,makehavenonmetalmaterialsandmetalmaterialadvantages.Thenonmetalelectroplatingtechnology,alongwithphysicalchemistry,chemicalpowertheorydevelopment,especiallythepolymermaterialsandelectronicindustrysynthesismortalhighspeeddevelopmentanddeveloped.
Nonmetallicmaterial（especiallyplasticproducts）aftermetallization,canobtainconductive,electromagnetic,wear-resisting,anti-aging,welding,suchasperformance,sothatthenonmetallicmaterialadornmentsexandfunctionalenhancement,usethewiderange.
Keywords:
non-metalmaterialselectroplating,electrolessplating,wear-resisting,anti-aging
1.绪论
1.1课题背景
1.1.1电镀的基本原理
电镀是用化学方法在固体表面电沉积一薄层金属、合金或金属与非金属粉末一起形成复合电沉积层的过程。
电镀技术是一种可改变材料表面特性的技术，通常课应用于金属表面防护、装饰或应用于实现其他特殊功能，在某些情况下，非其他方法可代替，是一种经济、方便和有效改善材料表面特性的手段。
通常对电镀层特性的基本要求似乎镀层结构紧密、厚度均匀、镀层与基体结合牢固并能够耐受一定环境条件下的腐蚀。
在某些情况下，进一步要求镀层内应力小、柔性好、有较高的硬度、色彩、光亮或均匀沙面等。
对于功能性镀层，根据其具体使用目的，要求镀层可耐高温氧化，耐潮湿环境腐蚀、耐海洋气候腐蚀等。
1.1.2电镀层的分类
按镀层用途的分类：
1.防护型镀层：
防护型镀层用途最广，其主要的目的是对基体的防护，耐磨、防腐是其最主要的目的。
2.防护——装饰性电镀层：
大多数情况下不仅需要非基体进行防护，同时还要求有一定装饰功能，这种镀层兼有防护和装饰双重功能，且装饰为主要目的。
3.功能性镀层：
功能性镀层是具有特定功能和特定意义的镀层，通常是只对一种零件和某一种特殊使用条件下所需要的特殊功能，因此功能性镀层包括的项目很多，而且随着技术的发展和应用的而开发，今后还会越来越多。
一般要求如下：
<1>:
耐磨镀层
<2>:
减摩镀层
<3>:
导电性镀层
<4>:
磁性镀层
<5>:
抗高温氧化镀层
<6>:
抗强阳极腐蚀镀层
<7>:
修复性镀层
<8>:
特殊功能镀层
<9>:
热处理镀层
1.1.3电镀技术的介绍
由于电镀技术的特殊性，电镀技术从一开始就受到人们的特别重视。
电镀技术是在电池被发明以后才出现的技术，电解的最早的出色应用是发现了一些以前不可能被认识的金属元素，比如纳、钾。
然后是发明了电铸，再后才是电镀。
电镀技术相关的基础理论主要是物理化学的电化学理论。
当然，除了电化学，要求从事电镀技术开发的人员对基础化学、电工学、物质结构、金属学等都要有所了解，但是最基本的还是电化学。
解至今仍是电镀技术中最基本的定理，其内容如下：
电解过程中，阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比，可用公式表示为：
M=KQ=KIt，式中，M为析出的金属质量；K为比例常数；Q，为通过的电量；I，为电流；t为通电时间。
1.1.4电镀技术的现状
电镀技术发展到今天，已经成为非常重要的加工技术，它早已不仅仅是金属表面防护和装饰加工手段，尽管这仍然是占电镀加工的很大比重，电镀的功能性用途也越来越广泛。
尤其是在电子工业、通信等领域采用功能性电镀技术。
电镀不仅仅可以镀出漂亮的金属镀层，还可以镀出各种二元合金、三元合金、复合材料、纳米材料，可以在金属材料上电镀，也可以在非金属材料商电镀。
这些技术的工业化和电镀添加剂、电镀新材料在镀液配方中的应用是分不开的。
据不完全统计。
现在可以获得的各种工业镀层已经达到60多种，其中单金属镀层20多种，合金镀层40多种，并且证明电镀是获得纳米级金属材料的重要加工方法之一。
对电镀技术的研究开发也不仅仅局限于镀液、配方和添加剂。
在电源、阳极、自动控制等物理因素的开发也大有进步。
脉冲电源已经普遍用于贵金属电镀，磁场、超声波、激光等都被用来影响电镀过程，以改变电镀层的性能。
专用产品的全自动智能生产线也有应用。
更加环保的技术和设备也不断有专利实现。
电镀技术不仅仅是在现代工业产品表面防护和装饰中起到重要作用，而且在获取或增强产品的功能性方面也发挥着重要的作用。
尽管存在着环境方面的问题，是电镀技术的应用受到某些限制，但要完全取代或淘汰电镀技术是不可能的。
随着表面技术的进一步发展，相信电镀技术本身能够以更多的环保型技术和产品来改变目前电镀液存在对环境有污染的问题。
1.2课题研究的目的
电化学与金属腐蚀可以应用于工程塑料、玻璃、陶瓷等非金属材料的防腐、耐磨、耐热、导电性能领域，具体的方法有电抛光、电解加工、金属电镀，以及非金属电镀，而我们本次设计的加工方案是采用的非金属电镀的方法，是这批工程塑料具有导电性，并能有适当的耐磨性。
2.非金属电镀原理
2.1非金属电镀的关键
电镀过程是耶被称做电结晶过程，它以电能作为电化学反应的动力，并向阴极源不断地提供使金属粒子还原的电子。
因此，被镀的产品首先是必须具备导电能力。
一般来说，不导电的物体不能拿来镀电。
非金属因为不具备导电的性能，不能直接利用电镀技术进行电镀加工。
但是，在非金属材料表面镀上金属一直是人们的梦想。
从某些意义上来说，非金属电镀技术应该有很大的发展空间。
尤其是在塑料等材料上进行电镀是非常有意义的。
显然，根据电镀的原理，只要使非金属表面呈现导电性，对这种表面导电的非金属进行电镀是完全可能的。
怎样使非金属表面金属化呢？
这是我们所要了解的重点，简单的讲，非金属电镀的原理，就是非金属表面金属化的原理。
而非金属表面金属化的过程，则是通过一系列化学反应，在非金属表面获得金属化学沉积层的过程。
典型的非金属电镀工艺流程如下：
表面预处理——清洗——除油——清洗——中和——清洗——中和——清洗——化学粗化——清洗——敏化——清洗——蒸馏水洗——活化——清洗——化学镀——清洗——电镀
对于不同的非金属材料，这个流程会有增减或调整，包括清洗要求都会有些不同。
2.2预处理、除油和粗化
2.2.1镀前预处理
无论是对于塑料电镀还是其他非金属的电镀，镀前预处理对于成功进行后边的流程都十分重要的。
预处理过程包括对表面外观的检查，对于有明显表面缺陷并会影响电镀外观质量的制品，要予以剔除。
但是，仅仅看外观还不能判断非金属是否还要影响镀层质量的内在因素。
比如内应力。
尤其是集中在浇口或其他对应的流动位的应力，会是影响镀层结合力的因素，会引起不易发现的应力气泡。
注塑加工或模压加工都会产生应力，因此，有效的办法是设一个预处理过程，将应力消除。
比如在一定温度下进行时效处理，可以有效地消除材料的内应力。
由于塑料的软化温度较低，常用的温度是80℃,时间是8h以上。
可以采用恒温烘箱加温，也可以再保持80℃的水浴中进行预处理。
塑料表面预处理是科选用的有机溶剂
塑料名称
可用的有机溶剂
塑料名称
可用的有机溶剂
ABS
丙酮
聚甲基丙烯酸甲酯
甲醇、四氯化碳
聚烯烃
丙酮、二甲基
聚酯
丙酮
聚碳酸酯
甲醇、三氯乙烯
环氧树脂
甲醇、丙酮
聚苯乙烯
乙醇、甲醇、三氯乙烯
聚甲醇
丙酮
苯乙烯共聚物
乙醇、三氯乙烯
聚酰胺
汽油、三氯乙烯
聚氯乙烯
乙醇、甲醇、丙醇
氨基塑料
汽油、三氯乙烯
氟塑料
丙醇
聚基塑料
甲醇、丙醇、三氯乙烯
聚丙烯酸酯
甲醇
2.2.2除油
对于非金属而言，除油是借用金属电镀的术语。
所有塑料表面都是疏水的，除了木材，其他非金属材料也不易亲水。
这主要以水溶液为载体进行的化学处理在塑料表面不易进行完全。
非金属表面的油污可以用碱性除油工艺。
比如采用合成洗涤剂在60℃以下进行处理，也可以用下述碱性除油液进行处理。
Na2CO320-30g/L表面活性剂2-5mL/L
Na3PO410-30g/L温度60-70℃
NaOH10-20g/L时间10-30min
表面活性剂要选用低泡和具有可逆性的物质，如烷基苯聚氧乙烯醚。
检查除油是否达到效果的方法很简单，就是看经过除油处理的制品表面是否亲水，如果完全不亲水或不完全亲水，都要重新来过，只要基本亲水。
有些塑料在除油后表面仍然处于不亲水的状态，必须等粗化后才能显示出亲水性。
2.2.3粗化
化学粗化法是根据非金属材料中具有可与酸或碱起反应的物质而设计的，这类物质在经过酸或碱的处理后，从组分中溶解出来，从而使表面粗化。
化学粗化可以获得均匀一致的粗化表面，其与镀层的结合力比机械粗化要好得多。
最常用的化学粗化液是以铬酸和硫酸为主的强氧化性粗化液。
这种粗化液有很好的通用性，适合对ABS塑料和其他一些塑料进行粗化处理。
粗化的原理：
无论是机械粗化还是化学粗化，其目的都是为了使非金属表面粗糙化，以增加表面与金属镀层的结合力。
金属镀层是从化学镀层表面生长出来的，而化学镀层是否可以完全地在表面形成完整的镀层，就是取决于粗化的效果。
化学粗化之所以比机械粗化的方法有加较强的结合力，是因为化学处理后的表面粗化形态不同于机械粗化后的表面。
一般来说，机械粗化所形成的表面形态是许多碗状的小坑，也就是半圆形凹坑。
粗化的工艺：
粗化工艺对非金属电镀的结合力有很大的影响。
如何选择粗化工艺关系到能不能获得有实用价值的金属镀层。
同时也要考虑成本、环境保护等诸多因素。
粗话的工艺包括物理方法和化学方法，一般就环境保护出发，采用物理方法，当镀层有一定厚度，对表面光泽度又没有过高要求时，采用物理方法是较好的。
对于有些大批生产，对表面粗糙度和镀层结合力有较严要求而又有环境保护措施时，仍然要采用化学方法。
对于有些表面粗化比较困难的非金属，还要选用物理和化学并用的联合粗化法，以加强表面粗化的效果。
2.3敏化和活化
2.3.1敏化
要在非金属表面进行电镀，先要在非金属表面以化学的方法镀出一层金属来，这称为化学镀，而要实现化学镀，非金属表面必须要有一些具备还原能力的催化中心，通常叫做活化中心。
实际上就是以化学方法在非金属表面形成生长结晶的晶核。
它是分步实现的，首先是要有一层具有还原作用的还原性液体膜，然后再在含有活化金属离子的处理液中还原出金属晶核，这种具有还原性作用的处理液就是敏化剂。
在实际生产过程中，敏化可以有多种工艺，分述如下：
（1）酸性敏化液最常用的是每升含氯化亚锡10-100g和盐酸10-50mL的敏化液。
随着浓度的升高，二价锡氧化的速度也会加快。
（2）酒精敏化液这同样是为对付表面亲水化的某些非金属制品的方法。
在酒精溶液中加入20-25g/L的二价锡盐即可。
（3）碱性敏化液有些非金属材料不适合在酸性介质内处理，这时就要用到碱性敏化液，如氯化亚锡100g/L,氢氧化钠150g/L，酒石酸钾钠175g/L。
经过敏化处理的表面，如果后面的活化工序用的是银盐，还要经过蒸馏水清洗后才能进入工序。
这是为了防止将敏化离子带入到活化工艺而引起活化的无功反应，消耗活化工艺的资源。
2.3.2活化
活化的原理简单来说，就是当表面吸附有敏化液的非金属材料进入含有活化金属盐的活化液时，这些活化金属离子吸附在表面的还原剂发生电子交换。
敏化后的清洗和持续的时间对颗粒的大小影响较大。
经彻底清理后，所形成的钯颗粒的直径小于2mm,在这章数量级的活性颗粒下所获得的化学镀铜镀层平滑且结合力良好。
经过活化处理后的制件最好进行干燥，干燥后再进入化学镀的制件结合力有所提高。
分布活化发不适合自动生产线的生产，因为敏化液如果清洗不干净，稍有残留都会带进活化液而导致活化液提前失效。
2.3.3化学镀
化学镀是费非金属电镀的主要工艺。
经过活化处理后，非金属表面已经分布有催化剂作用的活性中心。
这些活性中心作为化学镀层成长的晶核，是化学镀层从这里生长成连续的镀层。
当最初的镀层形成后，化学镀层具有自催化作用使化学镀得以持续进行。
化学镀所依据的原理仍然是氧化还原反应。
由参加反应的离子提供和交换电子，从而完成化学镀的过程。
因此化学镀液有能提供电子的还原剂，而被镀金属离子当然是氧化剂了。
3工程塑料导电加工方法设计
3.1工艺设计
3.1.1工程塑料的概述，
在我们日常生活中，最常用的工程塑料有内通用的是聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰胺、热塑料性聚酯、改性聚苯醚等五大工程塑料，但是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物即ABS性能特征包含刚性好、冲击强度高、耐热，所以我们在此次设计的工程塑料中用的是ABS塑料。
ABS塑料无色透明，无味、无臭、无毒，密度低，热塑性好，但是变形温度低、耐冲击力弱、易脆化等缺点。
为了进一步提高这种塑料的性能，最后成功的研发了一种AS塑料，其抗张力和热变形温度都有所提高，然后再在此基础上发明了ABS塑料。
ABS塑料的耐冲击强度、抗张力、弹性率均明显改善。
ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三单体共聚而得到的聚合物塑料。
其名称代号ABS正式这三种单体英文名的第一个字母的组合。
在这个共聚体中，A成分和S成分构成骨架，而B成分也就是丁二烯是以极细微的球状分散在这个构架中。
这种结构使得ABS塑料具有一定的硬度、韧性和强度，且收缩性小。
3.1.2ABS电镀工艺
ABS塑料电镀随着塑料技术和电镀技术的进步，有了一些新的产品很热工艺的出现。
并且今后还会有进一步的发展。
但是，就ABS塑料电镀整体而言，目前大量采用的仍然是最为通用和成熟的技术。
ABS塑料电镀工艺可以分为三大部分，这就是前处理工艺、化学镀工艺和电镀工艺。
每个部分含有若干流程和工序。
除油一（预处理）一浸蚀一中和一（表面清洗）一添加催化剂一活化一非电解电镀一电镀。
各个步骤的作用和原理如下。
（1）除油 用碱性试剂磷酸盐除去ABS塑料表面的油污
（2）预处理在用有机溶剂丢ABS塑料进行预浸蚀，这样用以提高侵蚀的加工效果。
（3）浸蚀 ABS塑料（苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物）采用铬酸和硫酸的混合液做浸蚀剂，在强氧化性的铬酸作用下，塑料中的丁二烯氧化形成羰基等极性基并在塑料表面产生固定点。
这些固定点是发生电镀的有利位置
（4）中和 将被侵蚀的ABS塑料用NaOH中和表面残留的铬酸溶液
（5）表面清洗将ABS塑料在做洁净的清洗
（6）添加催化剂及活化处理 为ABS塑料浸渍在含有氯化钯和二氯化锡的溶液（催化剂C）中浸渍。
再在盐酸中进行活化处理。
（7）非电解电镀 非电解电镀（又称化学电镀）是不依靠外界电流作用，而依靠化学试剂的氧化还原反应在物体表面沉积一层金属的方法。
化学镀铜和化学镀镍的比较如下
对比因素
化学镀铜
化学镀镍
电镀液稳定性
极不稳定
稳定
电镀液温度℃
20-25
60-65
电镀时间min
8-10
3-7
产生麻点
多
少
操作产生伤痕
容易
难
我们采用的是化学镀镍即把被镀件浸入硫酸镍、次磷酸二氢钠（NaH2PO2）、柠檬酸组成的混合溶液中在一定pH值和温度下；溶液中镍离子被次磷酸二氢钠还原为金属并沉积在表面上。
在这个反应中钯起催化剂的作用。
具体反应为：
Ni2++H2PO-2+H2O—Pd—>Ni+H2PO-3+2H+
同时伴有副反应 H2PO-2+H2O——>H2PO3+H2
H2PO-2+[H]——>H2O+OH-+P
为使电镀层获得满意效果，在完成第一次化学镀层之后需继续多次进行化学镀层以提高镀层厚度。
4性能预测
4.1物理力学性能
非金属电镀改变的最重要特点是改变了非金属的物理性能，使非金属材料具有了复合材料的性能，特别是对扩大塑料在工业制品中的应用，起到了很重要的作用。
非金属表面金属化后，表面具备了导电性是很明显的，事实上，经过电镀以后塑料等力学性能也有所改善。
电镀后的塑料的加热变形温度的增加率为70%-88.5%，一般基体非金属材料原来的热变形温度越高，电镀后增加的比率也越高，抗张力的增加率为10%-30%；耐冲击力的增加率为15%-26%；耐曲折的增加率12%-20%。
以ABS为例。
其电镀前后的物理力学性能变化如下表所示：
ABS塑料电镀前后的物理性能变化比较
物理指标
镀前
镀后
增加率
物理指标
镀前
镀后
增加率
加热变形温度℃
88.5
98.6
15.2%
抗拉弹性
80%
抗张力/（kgf/cm2）
453
516
14%
曲折弹性
49%
耐冲击力（/kgf/cm2）
20.3
25.9
27.5%
由表可知，电镀后的ABS塑料是可以有一定的机械用途的。
如果增加镀层厚度和改变镀层组合，表中的数据是可以进一步提高的。
4.2抗腐蚀能力
非金属材料的一个显著特点是其耐腐蚀性能比金属要好，纯粹的非金属材料是不会发生生锈现象的。
在表面电镀金属镀层后，其力学性能和电化学性能得到了改善，同时对基体的耐腐蚀性能不会哟影响。
不但没有影响，还使基体的抗溶剂的性能有所提高，因此，在需要高耐腐蚀性能的场合，采用塑料电镀制品结构，比采用完全的金属结构还要好一些。
因为这时的基体材料是几乎不会被腐蚀的。
单纯的塑料或树脂存在易老化和耐候性较差的问题，这是因为日光可以导致聚合物的分离。
但是，当表面镀上了金属镀层后，其耐候性能和抗老化性能就明显提高。
5.结论
经过上述处理的这批工程塑料，已经达到了客户所需的要求，即具有了导电性和一定的耐磨性性。
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