镍预镀参数对电沉积金刚石颗粒超细钨丝 Ni/W 界面结构及镀层性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effects of nickel pre-plating parameters on Ni/W interfacial structure and coating performance of ultrafine tungsten wires electrodeposited with diamond particles

　　

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  制备了35 μm钨丝，采用在镍基体中嵌入金刚石颗粒的电沉积工艺。
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  开发了一种氨基磺酸镍预镀工艺，以实现致密均匀的镀层。
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  HR-TEM验证了多晶镍与钨之间存在良好的界面结合。

引言

近年来，光伏产业的快速发展成为推动线锯切割技术进步的主要驱动力[1]。该技术已广泛应用于单晶硅和多晶硅太阳能电池片的切割，市场份额高达95%[2]。与此同时，光伏行业所需的硅片厚度不断降低[3]。为满足这一需求，一些学者[4][5]通过减小线径成功实现了更薄硅片的切割。相应地，更小的线径可减少锯缝宽度，从而显著提高硅晶体的材料利用率，有效降低加工成本。这推动了硅片切割技术的微型化发展[6][7]。然而，高碳钢芯线的进一步减径日益受到其承载能力和切割过程中断线风险的制约。近期的研究报告了线径约为40 μm的高碳钢芯线，而钨芯线的线径已达到约33 μm[14]。因此，开发能够在更小线径下保持足够承载能力的芯材对于进一步减少锯缝损耗具有重要意义[8][9][10][11][12][13][14]。

对于本研究使用的W-0.5 wt% La?O?合金，Yao等人报道了线径为35.5 μm的超细丝，其抗拉强度为5723 MPa[15]。Liu等人还研究了细径线在金刚石颗粒电沉积下切割多晶硅的特性[16]。尽管W-0.5 wt% La?O?线的高成本和制造成本高于高碳钢丝，但其在超细线径下的高强度为进一步降低芯线线径提供了可能性，同时无需牺牲所需的承载能力。更小的线径可减少锯缝宽度和晶棒切割过程中累积的高纯硅损耗，从而增加每根晶棒可获得的硅片数量，降低与硅相关的生产成本[3][4][14]。提高的线锯稳定性还可能减少因断线造成的废品和生产中断。因此，钨合金芯线的额外成本有望通过提高硅利用率、增加硅片产出和提高切割稳定性的综合效益来抵消。然而，仅凭优良的基底材料是不够的。与钨线相比，钢线上的电镀锌镍通常更容易在沉积过程中保持稳定。相比之下，钨线表面致密且稳定的氧化膜使表面活化更加困难，钨与镍之间的界面相容性也比钢更差。

在金刚石颗粒电沉积钨线的制备过程中（预镀、复合电镀、增厚），预镀镍层是基底与复合电镀层之间的重要中间层，与线锯的性能密切相关[17]。在早期研究中，由于成本低廉和化学稳定性好，硫酸盐浴被广泛使用[18][19]。Li等人[20]和Huang等人[21]使用硫酸盐体系浴液制备了金刚石线。先前的研究表明，镍沉积物的微观结构和残余应力受电镀参数和浴液组成的影响[22][23]。特别是，Sun等人[23]证明氨基磺酸镍浴中的添加剂和氯离子会影响镍沉积物的微观结构和残余应力。这些特性对于本研究使用的35 μm超细钨线至关重要，因为过大的残余应力或镀层韧性不足可能在弯曲过程中促进开裂或局部剥离。因此，选用氨基磺酸镍浴以形成连续的低应力镍预镀层，用于后续的金刚石颗粒复合电沉积和镍增厚。

在相关研究中，Li等人[24]系统研究了60 μm高碳钢丝的镍预镀、金刚石颗粒复合电沉积和镍增厚工艺。Huang等人[25]研究了间歇搅拌对金刚石颗粒嵌入钢圆柱工具上镍镀层的影响；E. Lee等人[26]考察了镍-金刚石复合镀层的形成机制；W. Lee等人[27]研究了电流模式和电镀参数对铜合金基体上镍-金刚石共沉积的影响。对于钨线，Palmqvist等人[28]考察了金的电沉积行为，Solonin等人[29]研究了金电镀前的表面清洁，Lin等人[30]研究了阳离子表面活性剂和金刚石颗粒尺寸对镍-金刚石共沉积的影响。这些钨线研究主要涉及单个加工工序，而非镍预镀、金刚石颗粒复合电沉积、镍增厚和成品线性能评价的一体化工艺。代表性研究见表1。现有研究分别探讨了钢线电镀、钨线预处理、钨上镍打底沉积和镍-金刚石复合电沉积。然而，针对35 μm W-0.5 wt% La?O?线尚未建立一套在研究范围内整体性能最佳的氨基磺酸镍预镀条件。此外，预镀参数、镍层形貌、Ni/W界面结构与后续金刚石颗粒嵌入之间的关系尚不清楚。因此，从钢线研究中获得的工艺范围需要针对超细钨线进行实验验证。

本研究采用顺序单因素实验，研究了电流密度、温度和pH对35 μm W-0.5 wt% La?O?线上预镀镍层形貌和粗糙度的影响，并建立了适用于该超细钨线的完整镍预镀参数集。随后进行了复合电镀和镍增厚工艺。利用SEM、XRD、TEM、SAED、HRTEM/FFT和EDS研究镍镀层和Ni/W界面，采用U型弯曲、划痕和拉伸试验评价镀层附着力和成品线的机械性能。本研究的主要贡献包括：系统筛选35 μm W-0.5 wt% La?O?线的超细钨线镍预镀条件；在原子尺度上识别出半共格Ni(111)/W(110)界面和错配位错；以及将预镀工艺和Ni/W界面结构与后续金刚石颗粒嵌入及成品线性能相关联。

章节摘要

材料与预处理

本研究使用的直径为35 μm的钨线为W-0.5 wt% La?O?。电镀前，钨线在碱性溶液（水中的NaOH、Na?PO?和Na?CO?，5 wt%）中除油10分钟，然后用5 wt%氨基磺酸溶液处理3-5分钟进行活化，以去除表面氧化层。随后将线用去离子水彻底清洗和冲洗并干燥备用。样品制备过程主要包括镍预镀、复合

钨线预处理

在沉积镍之前，35 μm钨线经过碱性除油和氨基磺酸活化预处理。图2展示了钨线预处理前后的SEM形貌和氧（O）元素分布对比。EDS映射结果仅用于定性比较预处理前后的表面氧信号。预处理前，钨线表面存在明显污染物（图2a和a1）。

结论

本研究以35 μm直径钨线为芯材，系统研究了镍预镀参数对金刚石颗粒电沉积钨线表面形貌、粗糙度、界面结构和最终质量的影响。主要结论如下：

• (1)
  在氨基磺酸镍浴中，电流密度、温度和pH对预镀镍层的形貌和粗糙度有显著影响。在研究范围内，所选参数

CRediT作者贡献声明

肖红波：撰写—初稿，可视化，方法论，调查研究，形式分析，数据整理。赵云超：撰写—审稿与编辑，验证，监督，概念构思。李周：撰写—审稿与编辑，形式分析。杨京红：撰写—审稿与编辑，形式分析。尉士中：资源获取，项目管理，经费获取。徐刘杰：撰写—审稿与编辑，监督，资源获取，项目管理，经费获取。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金委员会资助（编号U2004180和U2341258）。

Hongbo Xiao|Yunchao Zhao|Zhou Li|Jinghong Yang|Shizhong Wei|Liujie Xu