关于金属镀层

在 CEMS 和气体分析仪领域，气室通常形状复杂，且直接接触腐蚀性气体（如 $SO_2$, $NO_x$, $HCl$），因此对镀层的要求远高于普通机械零件

为了让新手对镀层建立概念，接下来从为什么要镀、镀什么（工艺）、镀多厚（参数）以及如何向供应商提需求 ER}如何向供应商提需求这四个维度来拆解

核心概念：为什么气室要镀层

普通的铝合金或不锈钢在特定环境下是不够用的。镀层的目的主要有三个：

  • 防腐蚀： 样气中往往含有水分和酸性气体（$H_2SO_4$, $HNO_3$）。铝合金气室一旦腐蚀，产生的盐类粉末会污染镜片，导致漂移。
  • 惰性化/防吸附： 金属表面在微观上是粗糙多孔的，容易“抓”住气体分子（吸附）。这会导致测量响应变慢（拖尾）。镀层可以填平微孔，使表面更光滑、更惰性。
  • 光学反射率： 对于红外（NDIR）或紫外（UV）分析仪，气室内壁往往充当光路的一部分。镀金或抛光镀镍可以提高光通量，提升信噪比。
  • 除了反射光线，有的镀层的作用是用来吸收散射光（例如紫外荧光 $SO_2$）

关键工艺：电镀 vs. 化学镀

这是初学者最容易混淆的概念。对于分析仪气室，90% 的情况使用的是“化学镀镍”，而不是“电镀镍”。

特性 电镀镍 (Electro-plating) 化学镀镍 (Electroless Nickel / ENP)
原理 依靠电流沉积金属。 依靠化学还原反应沉积金属（自催化）。
形状适应性 差。 电流有“尖端效应”，导致棱角处镀层厚，深孔/内腔（如气室内部）根本镀不上（法拉第笼效应）。 极好。 只要药水能流到的地方，镀层就一样厚。非常适合形状复杂的气室。
硬度与耐磨 较软。 硬度高，耐磨性好。
分析仪应用 仅用于外壳、接插件。 气室、流路块、阀体的首选工艺。

以后提到气室镀镍，请默认指代 化学镀镍，特别是 高磷化学镍（High-Phosphorus EN）。

参数概念：镀多厚？（Thickness）

镀层厚度通常以 微米 ($\mu m$) 为单位。厚度不是越厚越好，太厚会导致尺寸超差（螺纹拧不进）或镀层内应力过大导致开裂。

在仪器仪表行业，常见的标准如下：

  • $3 - 5 \mu m$ (装饰/防变色)：
    • 用于：仅为了铝材不氧化，或者外观好看。
    • 分析仪应用：很少用于内部流路。
  • $10 - 15 \mu m$ (中等防腐 - 行业标准)：
    • 用于：大多数常规气体分析仪气室（如测量 $CO$, $CO_2$）。
    • 特点：能保证镀层无针孔（Pore-free），起到良好的物理隔离作用。
  • $20 - 30 \mu m$ (高防腐/耐磨)：
    • 用于：测量腐蚀性气体（如高浓度 $SO_2$, $HCl$）或有机械摩擦的部件。
    • 注意：做到这个厚度需要控制公差，设计时要预留余量。

除了镍，还有什么？

除了化学镀镍，在高端分析仪中还会遇到以下两种“镀层”：

  • 镀金（Gold Plating）：
    • 应用： 红外气体分析仪（NDIR）的反射气室。
    • 作用： 金对红外线的反射率极高，且化学性质极其稳定（不与任何酸反应）。
    • 工艺： 通常先镀一层镍做底，再镀一层极薄的金（Flash Gold）。
  1. 钝化涂层（如 SilcoNert / Sulfinert）：
    • 应用： 微量/痕量硫化物分析（如 ppb 级别的 $H_2S$）。
    • 本质： 这不是传统的“镀”，而是化学气相沉积（CVD）的一层非晶硅。
    • 作用： 极度的化学惰性，防止硫化物被吸附。如果您的分析仪响应时间慢，往往就是因为没有做这个处理。

如何向供应商提技术要求

如果您需要发图纸给加工厂，不能只写“表面镀镍”。为了显得专业并保证质量，可这样标注：

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表面处理：化学镀镍
1、材料：高磷镍 (High Phosphorus, P content > 10%) —— 注：高磷耐腐蚀最好，且无磁性。
2、厚度： $10 - 15 \mu m$
3、附着力：满足 ASTM B571 热震实验要求（不脱皮、不起泡）。
4、后处理：需进行热处理（烘烤）以去氢脆。
5、外观：气室内部光亮，无肉眼可见的麻点、漏镀。

扩展资料

如上所说，金对红外线的反射率极高（反射率>98%），但在紫外波段（尤其是 <400nm），金的反射率会断崖式下跌（像吸收体一样），不仅浪费光能，还会发热。

那在紫外波段，推荐如何做呢：

功能需求：漫反射

例如紫外荧光法（UV Fluorescence）测 $SO_2$ 的气室。推荐工艺： 烧结 PTFE 内衬 或 涂层 (如 Spectralon 类材料)

注意：这里有两种处理思路：【1】高反设计：白色 PTFE 内衬，让 PMT 收集到尽可能多的荧光信号；【2】全黑设计：打到墙壁上的光都统统吸收掉。这里讲的是高反设计【1】

  • 原理：
    • 在荧光分析中，我们不是要光“折射”，而是要光在气室里“均匀散射”，让探测器收集到尽可能多的荧光信号。
  • 性能：
    • 高纯度的烧结 PTFE （白色）在紫外波段的漫反射率可以达到 95% - 99%，远高于任何金属镀层。
  • 化学优势：
    • PTFE（特氟龙）本身就是“塑料王”，对 $SO_2, H_2S$ 等腐蚀性气体完全免疫，且不吸附，是 $SO_2$ 痕量分析的终极解决方案。

功能需求：镜面反射

适用场景： 需要光线像打在镜子上一样反射（如 NDUV 的反射镜、长光程池的端镜）。 推荐工艺： 真空蒸发镀铝 + 氟化镁 (MgF2) 保护膜

  • 为什么是铝？
    • 铝是全波段的“万金油”，它是唯一在 紫外 ($200 - 400 nm$) 到红外都有极高反射率（>90%）的金属。
  • 为什么要加 MgF2？
    • 铝极易氧化，氧化铝在紫外区的吸收很大。必须在镀铝后立刻镀一层极薄的氟化镁 ($MgF_2$)。它不仅防氧化，还能在紫外区起到“增透/增反”的光学干涉作用，把紫外反射率拉高到 90% 以上。
  • 缺点：
    • 这种镀层通常是在光学玻璃上做的，耐腐蚀性不如实体金属强。如果是直接接触高腐蚀性样气，通常会把反射镜做在密封窗片（Window）的后面，不让它直接接触气体。

镀了氟化镁有什么现象：如果你拆开一个测 $SO_2$ 或 $NO_x$ 的紫外分析仪，你会看到里面的反射镜亮得发青或发紫

  • 增反作用：通过精确控制 $MgF_2$ 镀层的厚度（利用光的干涉原理），它可以让原本 90% 的反射率提升到 92% 甚至更高。
  • 抗老化：没有这层膜，紫外灯照几个月，反射镜就“糊”了（光衰）；有了它，反射镜可以稳定工作好几年。

总结建议表

分析仪类型 波段 气室/部件功能 绝对禁止 推荐工艺
红外 (NDIR) IR 反射光线 阳极氧化铝 (吸红外) 镀金 (Gold Plating)
紫外 (NDUV) UV 镜面反射光路 镀金、镀银 镀铝 + $MgF_2$
紫外荧光 ($SO_2$) UV 收集散射光信号 黑色阳极氧化 PTFE (烧结/涂层)
通用流路 - 仅传输气体，防腐 普通电镀镍 高磷化学镍 / 硅钝化

2025-12-29 探讨

1、表面粗糙度（Finish）比镀层本身更关键

有一个工程细节容易被忽略：镀层是“长”在基材上的。新手可能认为只要镀了金，反射率就高。而如果铝合金基材加工后的光洁度（Ra）不够，直接镀金出来的效果是“磨砂金”，反射率依然很差。在红外 NDIR 气室中，通常需要先对铝材进行机械抛光或电解抛光，达到镜面效果后，再进行化学镀镍和闪镀金。光洁度决定了信噪比的上限，镀层只是保证它不被氧化。

对于大多数中高端 NDIR 气室，铝基材在镀层前的加工要求通常设定在 Ra 0.1μm 到 Ra 0.2μm 之间。

  • Ra 0.8μm（精车/精铣）：肉眼看过去有细微刀痕，属于“有光泽但模糊”，反射光散射严重，信噪比低。
  • Ra 0.4μm（研磨/精抛）：开始有镜像感，但像蒙了一层雾。
  • Ra 0.1μm ~ 0.2μm（机械抛光/镜面加工）：真正的镜面。光线打上去几乎完全按反射定律运行，这是红外分析仪的“黄金标准”。
  • Ra < 0.05μm（超精加工）：通常用于激光或天文望远镜镜片，对于普通 NDIR 来说成本过高，属于“性能过剩”。

为什么是这个数值？这里有一个关键的物理判据：瑞利准则（Rayleigh Criterion）。 红外分析仪测量的光波长通常在 $3\mu m \sim 10\mu m$（比如 $CO_2$ 是 $4.26\mu m$）。

  • 反射规律：如果表面的起伏（粗糙度）远小于波长，光线就会发生镜面反射；如果接近或大于波长，光就会四散而开（漫反射）。
  • 工程经验：通常要求表面粗糙度 $Ra < \frac{\lambda}{10}$。
    • 对于 $4\mu m$ 的红外光，Ra 0.4μm 是临界点。
    • 为了保证多次反射后的光强衰减最小，工程师会把目标定在 Ra 0.1μm，这样光线就像在滑冰场上滑行一样顺畅。

2、热膨胀系数（CTE）失配导致的开裂

如果镀层镀的太厚，例如 $20-30 \mu m$，存在潜在风险：

  • 潜在风险：铝的线膨胀系数很大（约 $23 \times 10^{-6} / K$），而镍镀层较小。气体分析仪气室通常会加热到 $120°C - 180°C$ 甚至更高。
  • 如果镀层太厚且工艺控制不好，频繁的升温降温会导致镀层与铝基材之间产生巨大的内应力，最终导致镀层龟裂或像鱼鳞一样脱落。在高温工况下，有时候“薄而均匀”反而比“厚”更安全。

见过在铝合金气室（气室温度才 55℃左右）上镀金，镀层龟裂脱落的情况

3、PTFE 涂层的“吸附性”争议

PTFE 确实化学性质稳定，但它具有多孔性（尤其是烧结或涂层）。对于某些重烃类或特殊的挥发性有机物（VOCs），PTFE 可能会产生物理吸附，导致仪器的零点漂移或响应时间变长（拖尾）。在做痕量（ppb 级别）分析时，有时候全金属结构（如钝化不锈钢）会比 PTFE 更稳定。

4、关于电镀镍与法拉第笼效应

上面说了电镀依靠电流沉积金属。法拉第笼效应（Faraday Cage Effect）决定了零件【例如气室是一个细长的管子（比如 200mm 长，内径 10mm）】内壁到底能不能长出金属膜

  • 为什么电离出的金属离子“进不去”？
  • 电镀是依靠外加电场驱动溶液中的金属离子（如 $Ni^{2+}$）向零件表面移动。
    • 电力线的特性：电力线总是倾向于走“阻力最小”的路径，即寻找距离阳极最近、最突出的部位。
    • 屏蔽效应：当你有一个深孔或管状零件时，电荷会聚集在管口边缘。由于电磁物理定律，管口边缘产生的强大电场会掩蔽掉管子内部的电场。
    • 结果：管口处被镀得极厚（甚至长出结瘤），而管子中间内壁的电场几乎为零，离子根本没有动力飞进去。
  • 那个“200mm 长、10mm 内径”的例子，这个尺寸在 CEMS 气室中很常见（典型的长光程池）。如果尝试用电镀镍来处理它：
    • 管两头：可能会镀上 $50 \mu m$ 甚至更厚的镍，导致内径变小，甚至堵塞螺纹。
    • 管中心：在距离管口约 1~2 倍内径（即 10-20mm）之后，镀层厚度会断崖式下跌。管子正中央（100mm 处）可能完全没有镍层，露出的基材铝合金会直接被酸性烟气腐蚀。

如果必须要电镀深孔，工厂可能就得专门焊一根细细的镍棒伸进你的管子中央。 代价：这属于“非标工装”，加工费会翻倍，且极其容易短路。

5、关于化学镀镍

在 CEMS 和精密气体分析仪领域，高磷化学镍（High-Phosphorus Electroless Nickel，磷含量通常 >10%） 被公认为“工业级的标准配置”。

  • 结构决定性能：从“晶体”到“玻璃”
    • 中/低磷镍：其微观结构是晶体状的。晶体之间存在“晶界”（Grain Boundaries），就像墙砖之间的缝隙。腐蚀性气体（如 $SO_2$）会顺着这些缝隙渗透，直接攻击里面的铝基材。
    • 高磷镍（>10.5% P）：它在微观上是非晶态（Amorphous）的，类似于玻璃。它没有晶界，表面像一层致密的、没有缝隙的防护膜。
    • 结果：腐蚀性分子找不到“破绽”钻进去，耐酸腐蚀能力呈指数级提升。
  • 卓越的耐酸性
    • 高磷镍在酸性环境（$H_2SO_4$, $HCl$）中的稳定性远高于中磷镍。
  • 无磁性（Non-Magnetic）
    • 中/低磷镍：具有铁磁性，可能会干扰分析仪内部的高灵敏度电子元件或磁氧分析仪。
    • 高磷镍：是完全无磁性的。这保证了它不会对光电检测器或传感器信号产生电磁干扰，是精密仪表设计的首选。
  • 权衡（Trade-offs），虽然高磷镍很强，但它也有“小脾气”，在设计时需要知道：
    • 硬度稍低：刚镀完时，高磷镍的硬度约为 45-50 HRC，比中磷镍稍软。如果零件有剧烈的机械摩擦，可能需要通过 $400°C$ 热处理来提高硬度（但这会让它恢复磁性，要小心）。
    • 上镀速度慢：工厂镀高磷镍的时间比中磷镍长一倍，所以成本会更高一些。
    • 焊接性较差：如果你打算在镀层上进行锡焊（Soldering），高磷镍会比中磷镍困难得多。

如果供应商沟通，可以多问一句：“你们的镍液磷含量能稳定在多少？”

  • 如果是 7%-9%：这是市面上最常见的中磷镍，适合普通机械零件防锈。
  • 如果是 10.5%-12%：这才是真正的高磷镍，适合你的气室。

你可以用一块强力磁铁去吸镀好的零件。如果零件是铝的但磁铁有吸力感，说明供应商用了中低磷镍骗了你；如果完全没磁力，那大概率是真的高磷镍。

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