基于紫外-红外激光协同处理的ABS复合材料表面金属化新方法及其电镀性能研究

本研究针对聚合物直接电镀的绝缘性难题，创新性地开发了紫外激光(λ=343 nm)选择性剥离与红外激光(λ=1030 nm)锡铜钎焊的协同工艺，在ABS基复合材料表面构建导电层，实现了局部电镀铜涂层(1.0 M H2SO4/CuSO4体系)，剥离强度达2 MPa。该技术突破了传统化学镀的多步骤限制，为3D电子器件选择性金属化提供了新思路。

　　

在电子器件微型化和3D打印技术快速发展的今天，聚合物表面金属化技术面临重大挑战。传统化学镀（electroless plating）工艺复杂、耗时长，而直接电镀又受限于聚合物的绝缘特性。尽管碳基填料可赋予复合材料导电性，但存在选择性差、镀层质量不佳等问题。如何实现高精度、高效率的聚合物选择性金属化，成为制约柔性电子和三维电路发展的关键瓶颈。

针对这一难题，波兰波兹南理工大学（Poznan University of Technology）的研究团队创新性地提出"激光预处理-电镀"的协同工艺。他们选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）为基体，通过双螺杆挤出制备含铜纤维（450-650 μm）和锡粉（≤45 μm）的复合材料，总填料量控制在25 vol%以保持本体绝缘性（表面电阻>10¹¹ Ω）。采用飞秒激光系统分两步处理：先用紫外激光（343 nm，250 fs，3.4 W）选择性烧蚀聚合物基体暴露填料，再用红外激光（1030 nm，250 fs，11.1 W）熔融锡粉实现铜纤维钎焊。经优化后的样品在简单硫酸铜电解液中实现局部电镀，最终获得结合力优异的铜镀层。

关键技术包括：1）双波长飞秒激光协同处理系统；2）三电极法表面电阻测试（ASTM D257标准）；3）X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学态；4）扫描电镜（SEM）观察微观形貌；5）剥离强度测试评估镀层附着力。

研究结果揭示：

1. 材料表征：含12.5 vol%锡的K5复合材料经UV/IR处理后，铜纤维间形成连续导电网络（电阻~10^-3 Ω），XPS显示紫外激光可清除铜纤维表面Cu(OH)₂氧化层，但会促进锡粉氧化为SnO₂。

2. 电镀性能：K5样品电镀后铜信号强度提升最显著（EDX分析），镀层覆盖完整，剥离测试中破坏发生在胶粘剂层（强度>2 MPa），证明金属-基体界面结合优于商业胶粘剂。

3. 工艺机制：紫外激光的热累积效应导致中心区域基体烧蚀深度达500 μm；红外激光的锡熔融（231.9°C）与铜纤维（1083°C）形成冶金结合，但过高功率（16.9 W）会导致锡蒸发和铜氧化。

该研究开创性地将激光加工与电镀技术结合，突破传统聚合物金属化的三大局限：1）取代多步骤化学镀，实现"一步法"电镀；2）通过填料组合设计（铜纤维+锡粉）解决导电性与选择性的矛盾；3）避免使用贵金属催化剂。所开发的K5复合材料（Cu/Sn=1:1）展现出最佳性能，为3D打印电子器件的局部金属化提供了新方案。未来通过优化激光参数（如脉冲重复频率5 MHz→10 MHz）和电解液配方，有望进一步提升镀层致密性和沉积速率。这项技术不仅适用于ABS基材，其"激光造导-电镀强化"的核心思想还可拓展至其他工程塑料的表面功能化处理。