比较镀层材料、镀层厚度等，研究电镀件的真空放气特性
任何固体物质在大气环境中都会溶解和吸附一些气体，当该物质置于真空中时，会因溶解和解吸而释放出气体。
航空航天设备、加速器、核聚变、半导体设备等大科学设施等真空相关领域都极为关注材料的真空脱气率，因为这些设备的真空获得时间、极限真空度以及残余气体成分等往往取决于腔体材料的脱气特性。
材料在真空环境下的放气性能是真空系统材料选择的重要指标，常用放气速率来评价。材料的放气速率具体是指材料在一定温度下的真空中，单位时间内单位面积上放出的气体量。
本文通过对比不同镀层材料、镀层厚度、基体材料下电镀件真空脱气特性，深入探究表面电镀对材料脱气特性的影响。
测试
测试设置
常用的材料放气测试方法有：定容升压法、小孔电导法、双通道气路转换法等。小孔电导法作为常用的气体流量测量方法，广泛应用于气体微流量测量、极高或超高真空等真空测量方法。
本文采用小孔流导法测试电镀件的出气速率，图1为测试装置原理图，该装置包括加料室（load）、样品室（）和测试室（），其中测试室被小孔分成两个腔体，分别为小孔的上游腔体和下游腔体。
三个真空室分别装有三组真空泵抽真空；真空室与真空室、真空泵之间采用隔离阀连通和隔离，孔口上游室、孔口下游室、样品室各有一组隔离仪表，用于精确测量室体真空压力；
样品室和加样室上各有一套复杂的仪表，用于监测真空室内的真空压力。四极杆质谱仪用于测量真空室内的气体成分和分压。它通过隔离阀安装在样品室上。
待测样品通过加样腔上的送样装置输送至样品腔进行脱气试验，样品释放出的气体进入测试腔，限制通过小孔的流量，并在小孔上游和下游形成压力梯度。
通过测量小孔上下游的压力差，乘以小孔电导，得出从样品腔中释放出的气体量，再除以样品面积，即可得到待测样品的脱气速率q，见公式（1），单位为Pa·m3/(s·cm2)。
式中p1、p2分别为孔口上、下游腔内压力，单位为Pa；C为电导，单位为m3/s；A为试样表面面积，单位为cm2。
在实际测试样品放气速率时，需要注意扣除样品室的背景放气量；为了控制信噪比，一般当样品放气量大于背景的3倍时，该样品的放气速率测试结果较为准确。
测试流程
电镀是指在含有预镀金属的盐溶液中，将待镀母材金属作为阴极，通过电解作用使镀液中预镀金属的阳离子沉积在母材金属表面形成镀层的一种表面处理方法。
镀层性能不同于基体金属，具有新的特性，能增强金属的抗腐蚀性能、增加硬度、防止磨损、改善导电性、光滑性、耐热性及表面美观性等。
实验基体材料包括316L不锈钢、TU1无氧铜、7075铝合金、7A04铝合金，采用电镀技术在基体材料上镀上不同的镀层，研究的表面镀层包括电镀锌、电镀镍、电镀铬、电镀锡。
研究的表面镀层厚度有两种，分别为0.02 mm和0.12 mm。首先以316L不锈钢和7A04铝合金为基体，在其表面分别电镀0.12 mm厚的锌、铬、亮镍和锡，比较不同电镀层下材料的脱气速率。
然后以7A04铝合金为基体，在其表面电镀锌、铬、光亮镍、锡，镀层厚度分别为0.02 mm、0.12 mm，对比不同镀层厚度材料的脱气速度。
最后采用316L不锈钢、TU1无氧铜、7075铝合金、7A04铝合金四种基材，其表面均有电镀锌层，对比相同厚度不同基材对电镀锌件除气速度的影响，测试条件为洁净室室温。
实验前对测试装置进行烘烤，使其达到最佳背景真空状态；材料脱气测试的样品尺寸为80 mm×80 mm×2 mm，实验前用无尘布将样品擦拭干净并静置12 h。
实验时，真空室样品槽上间隔放置5个样品，测试开始后，采用真空计和四极杆质谱仪连续记录各真空室压力及气体成分谱，测试时间长达24小时。
试验过程中发现，在进行镀锌件脱气率试验时，采用分离计记录试样腔的真空压力，在开始的2个小时内，分离计显示的真空数据闪烁，且极易超出其范围而自动停机。
在测试其它电镀件放气速率时，分离规指示不会闪烁或自动熄灭，但实验中发现，分离规开启时，样品释放的H2（2 amu）离子流量高于H2O（18 amu）；
当分离规关闭时，样品释放的H2O(18amu)离子流量比H2(2amu)离子流量大，因此，所有电镀件做除气测试时，样品室分离规关闭，采用复合真空规记录真空数据。
结果
不同涂层的释气率比较
在316L不锈钢和7A04铝合金表面分别电镀0.12mm锌、铬、亮镍、锡，测试不同电镀层件在24小时内的除气速度，并与未镀层件进行对比，如图2（a）和图2（b）所示。
可以看出，任何样品的脱气速度都是随着时间的推移而逐渐减小的，且减小的速度先快后慢，逐渐趋于稳定。同一时间点，电镀件的脱气速度明显高于未镀件；电镀件中，镀锌件的脱气速度明显最高；镀铬件、亮镍件、镀锡件的脱气速度差别不大。
采用四极杆质谱仪测试316L不锈钢基体上不同电镀件在抽气时间为1 h时的放气成分，并与未镀件进行对比，如图3所示。
可以看出，无论是电镀件还是非电镀件，材料释放出的气体组分从大到小依次为H2O（18 amu）、H2（2 amu）、N2/CO（28 amu）、CO2（44 amu）、O2（32 amu），各质量数对应的四极杆质谱仪离子电流如表1所示。
可以看出，与其他电镀件相比，镀锌件释放的H2O（18 amu）、H2（2 amu）、O2（32 amu）和CO2（44 amu）最多。使用光学显微镜观察316L不锈钢电镀件表面，其中表面镀层厚度为0.12 mm，如图4（a）-图4（d）所示。
可以看出，电镀件表面无划痕、平整、光滑；其中，亮镍镀层、铬镀层、锡镀层表面非常光滑均匀，几乎没有杂质和暗斑；相比之下，镀锌件表面略有凹凸，不够光滑。
不同涂层厚度的释气率比较
对以7A04铝合金为基体的电镀件分别镀0.02 mm和0.12 mm两种厚度，研究镀层厚度对材料脱气速率的影响，如图5所示。
可以看出，无论是镀锌、镀铬、镀亮镍、镀锡，各电镀样品的脱气速率随时间的变化趋势基本一致。随着抽真空时间的增加，脱气速率逐渐降低，且降低速度先快后慢，逐渐趋于一恒定值。在前4个小时内，不同镀层厚度的电镀件脱气速率差异较大，尤其是镀铬和镀锌。
可以看出，在最初几个小时内，涂层厚度对放气速率影响较大；超过4个小时之后，测试的两种涂层厚度对放气速率时间变化趋势及最终放气速率几乎没有影响。
不同基材的释气速率比较
对7075铝合金、7A04铝合金、TU1无氧铜、316L不锈钢四种基材表面分别电镀0.02、0.12mm厚锌，然后对比相同厚度、不同基材的镀锌件的脱气速度，脱气测试结果如图6（a）、图6（b）所示。
可以看出各电镀样品的脱气速率随时间变化趋势基本相同，随着抽真空时间的增加，脱气速率降低，且前4个小时脱气速率下降最快，此后脱气速率下降较慢，并逐渐趋于一个相对恒定的值。
不同基材镀锌试样在前4 h的脱气速率差异较大,但后期脱气速率基本相同,最终脱气速率均小于5×10-10 Pa·m3/(s·cm2)。
分析与讨论
最初几个小时的脱气速率差异主要是由于不同样品表面结构不同所致。可以看出，当电镀件置于真空中最初24小时，材料内部结构和成分不同（即不同基材）对材料真空脱气行为影响不大。电镀件真空脱气特性与材料表面状态密切相关。
同一基体表面不同的镀层会造成镀件脱气速度明显不同，可以看出在测试时间内，材料表面脱气仍然起主导作用。
同一时间点，电镀件脱气速度明显高于未镀件；电镀件中镀锌件脱气速度最高，其余电镀件脱气速度差异不明显。
无论是电镀件还是非电镀件，其释放出的气体成分中H2O(18amu)含量最高；且与其他电镀件相比，镀锌件释放出的H2O(18amu)含量最高。
总结
本文采用小孔流导法比较了不同镀层、镀层厚度、基体材料下电镀件的放气特性。
从实验结果可以看出，在测试的时间内，表面放气仍然起主导作用，而基体材料和涂层厚度对材料放气速率时间变化趋势以及最终的放气速率测试结果影响较小。
镀层材料对电镀件脱气速度影响较大，同一时间点，电镀件脱气速度大于未镀件，电镀件中镀锌件脱气速度最高。
无论是电镀件还是非电镀件，其释放出的气体成分中水蒸气含量是最高的；且与其他电镀件相比，镀锌件释放出的H2O含量最高。
电镀件释放的过多水蒸气可能会影响含有钨丝的热阴极电离计读数的准确性。建议在真空系统中尽可能避免使用电镀锌件。
参考
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