自古以来，木材就为人们所喜爱并广泛使用，因为其不但有良好的强重比等材料学特性，而且具有可以保持木材本身所特有的回归自然的表面装饰效果及调湿、调温、隔音等优异的环境学特点(李坚，1998)。众所周知，干燥的木材属于绝缘体，不具有屏蔽电磁波的功能。在电磁干扰、电磁泄露和电磁污染日益严重的今天，电磁屏蔽材料的需求量不断增加，但木材在此领域无法直接应用。为了赋予木材以电磁屏蔽功能，木材-金属复合材料的研究愈来愈受到关注。不过，木材表面和金属的相容性非常差，使得研究过程难度加大。化学镀是一种非常有效的、能够使非金属材料金属化的方法。日本学者在此方面有过一些研究(长泽长八郎，1989；1990；1991；1992)，但目前国内与木材表面化学镀相关的研究报道却很少。本文主要论述用于电磁屏蔽的镀镍桦木单板的化学镀试验及所形成的复合材料的镀层成分及性能，并加以讨论。

1 材料与方法 1.1 试件制备

按照SJ 20524-95《材料屏蔽效能的测量方法》规定的试件规格制作试件。试件结构如图 1所示。

1.2 桦木表面的前处理和化学镀镍

由于木材表面孔隙密集，表面粗糙度很高，所以省去了光滑表面化学镀过程中必须进行粗化处理的步骤。桦木单板表面的化学镀镍可分3步连续进行：活化、解胶及镀镍，每完成一步处理都必须用蒸馏水冲洗，然后再进行下一步处理。

活化：将桦木单板浸于事先配置好的胶体钯活化液中处理10 min，取出、水洗；解胶：将活化后的桦木单板浸于HCl溶液中处理1 min，取出、水洗；镀镍：镀液配方和条件见表 1，利用氨水调节镀液的pH值。

试验中所用的化学试剂均为分析纯，溶液用蒸馏水配制，桦木单板的活化、解胶和施镀的反应均在八孔恒温水浴锅中进行。镀液的pH值用BJPH-260便携式pH计测定；利用日立HITACHI-4700A型扫描电镜(带EDAX能谱)进行形貌观察和镀层磷含量测定；在镀后试件任意取样10 mm×10 mm进行XRD分析，利用D/MAX-3B型X射线衍射仪进行，采用铜管辐射，管压3.5 kV，管流30 mA。采用样品旋转台消除样品的择优取向，衍射线由石墨单晶单色化，狭缝DS、SS均为1°，RS狭缝为0.15 mm。测试中采用2θ/θ连动步进扫描，步宽0.02°，扫描速度为4°·min^-1，扫描范围0~100°；利用XRD测试相同的取样方法，进行XPS分析，所用仪器是英国生产的VG ESCALAB MKⅡ型X射线光电子能谱仪，采用Mg Kα射线源(hν=1.254 keV)，束流50 mA，分析室真空度10^-8 Pa，以标准样品中的元素定位作为结合能校准，用能量为5 keV的Ar离子枪刻蚀镀层表面；电磁屏蔽效能按照测试标准SJ 20524-95由Agilent E4402B spectrum analyzer和东南大学生产的标准夹具进行测定，导电性测定参照国家军用标准GJB-96《军用电磁屏蔽涂料通用规范》中的屏蔽涂层表面电阻率测量方法，自行设计了电磁屏蔽镀层的测量方法(图 2)，每一试件上取4个测试点，每一点分别测试横纹和顺纹的电阻，根据电极的直径计算出表面电阻率，计算总平均值为此试件的表面电阻率；桦木单板施镀前后的热性能由SZCT-1数字导热系数测定系统测定，每次试验所需试件：薄试件1块(100 mm×100 mm×10 mm)，厚试件2块(100 mm×100 mm×30 mm)。

2 结果与讨论 2.1 镀层形貌比较

图 3A为桦木单板素材的SEM图片。看似光滑的桦木单板表面上布满了木纤维、导管、薄壁细胞等凸凹不平的构造。因为镀层和基体之间还存在着宏观的结合，其特点是当镀层和基体的接触面积增大时，结合就增强(李恒德等，1989)。因而在粗糙的木材表面上获得镀层的结合强度高，不易剥离。

从镀后桦木单板的表面形貌(图 3B)看，桦木表面凸凹不平的各部分都均匀镀有镀层，镀层连续，没有明显的间隙。镀层的起伏是随着木材表面的起伏而形成的，由于镀层的厚度相对于桦木表面的孔隙或纤维的直径小得多，所以桦木表面构造没有因化学镀镍而改变，依然保持未镀时的凸凹不平状态。

2.2 镀层成分分析

X射线能谱分析(EDS)结果如图 4和表 2所示，镀层的主要成分为元素Ni，此外尚含有少量的元素P，质量分数分别为98.5%和1.5%。以次亚磷酸钠为还原剂的化学镀镍过程发生如下的化学反应：H₂PO^2-+[H] → H₂O + OH^-+ P及Ni²⁺ + H₂PO₂^- + H₂O → HPO₃^2- +3H⁺ + Ni，镍原子与磷原子共同沉积，形成镍磷合金镀层，Ni + P → Ni-P。但由于能谱分析只能得出不分价态的各元素含量，鉴于此，对镀层进行了X射线光电子能谱(XPS)分析。

X射线光电子能谱(XPS)分析能够通过测定结合能而分辨出元素的不同价态。镀后桦木单板表面各元素的XPS谱如图 5所示，除了木材本身所含有的C和O元素外，还含有Ni和P元素。Ni的结合能为857.0 eV，与NiSO₄的结合能857.15 eV(方景礼等，1995)非常接近，表明镀层上Ni²⁺的存在。所测P的结合能为132.6 eV，它与镀液中次亚磷酸盐的氧化产物磷酸盐的结合能(NaHPO₄，132.5 eV)(龙晋明等，1994)非常接近，表明镀层表面的次亚磷酸盐已被氧化成为磷酸盐，并吸附在镀层表面。因为施镀时，试件在镀液中浸泡时间相对长些，依然是多孔结构的镀层表面会吸附Ni²⁺和磷酸盐，根据峰面积，可以判断所吸附的Ni²⁺少于磷酸盐。所以，由EDS所测P含量稍偏高。

为了测定镀层的成分，将试样经高速Ar⁺溅射轰击4 min以剥去污染的表层，剥去表层后其表面各元素的XPS谱如图 6所示。除了木材本身所含有的C和O外，只有Ni元素而没有P元素的吸收峰。并且Ni的结合能为853.8 eV，与Ni⁰的结合能853.8 eV¹⁾相等，表明镀层中Ni元素以Ni⁰的形式存在。经Ar⁺溅射后，没有检测到P元素的吸收峰，这与胡茂圃等(1998)的研究结果一致，表明化学镀沉积伊始，先仅有Ni的沉积，随后才有Ni-P共沉积出现的事实。沉积伊始不能同时析出磷的原因也可理解为，反应所组成的原电池反应3H₂PO₂^-+2H⁺—2P+H₂PO₃^-+3H₂O的电动势E < 0，因而反应不能向右进行。假如增加溶液的氢离子浓度，则可促使P析出。开始的一瞬间，H₂PO₂^-浓度近似为配制浓度，以上反应对应的电动势关系式为E=E⁰-0.0295 lg{[H₂PO₃^-]/[H₂PO₂^-]³}-0.0591pH。要使E>0，应满足pH < 3.9。在溶液/界面的双电层内，在一段时间内，pH值由初始的碱性降至3.9是可能的。当试样到达临界诱发电位, 产生了大量的H⁺。由于析氢超电势的存在, 使得H⁺超过其平衡浓度，并大量吸附在界面，使在界面附近的pH值剧降，当pH值低于3.9时，P的沉积将成为可能(胡茂圃等，1998)。因此，在诱发的开始瞬间，先发生Ni的沉积，然后才出现P的沉积。经刻蚀后，测定的可能是最初沉积的镀层，所以检测不到P。另外，在高速Ar⁺溅射轰击时，存在一定的择优溅射问题，使含量很低且较轻的P原子损失，因而在镀层内层检测不到P的存在。由以上分析说明，本研究在桦木单板表面施镀所得到的镀层中主要成分为Ni⁰，P的含量很低。

1) http://www.srdata.nist.gov/xps

2.3 镀层的结构

镀层中的P含量达到7%时，镀层一般为非晶态结构，在XRD谱上2θ=45°处出现典型的“馒头包”峰(闫洪，1999)。当镀层中P含量较低时，镀层为晶态结构，在XRD谱图上出现1组尖锐的Ni的衍射峰。镀后桦木单板的X射线衍射图(图 7)，其中有4组Ni的衍射峰，其中主峰尖锐，其他衍射峰较弱。说明镀层中的金属Ni为晶态结构，但晶粒稍小。图中22°出现的峰为木材中纤维素的衍射峰(钱学仁，1999；李坚等，2002)，但峰强度较小，说明木材表面所沉积镀层较厚。

2.4 镀后单板的性能 2.4.1 导电性

木材是多孔性、吸湿性的复杂天然有机高分子材料。绝干状态的木材与大多数有机材料相同，属于电的绝缘体(李坚，2002)，其体电阻和表面电阻率都是极高的。经过表面化学镀镍后，由于木材单板表面沉积一层连续的金属层，赋予了木材导电性，使其表面电阻率大幅度降低。取5个镀后试件，平均含水率为4.1%，测试表面电阻率。由于木材结构的异向性，使得镀后单板的横纹方向和顺纹方向的导电性存在差异，即顺纹方向的导电性强于横纹方向，但表面电阻率都在10^-1的数量级范围内(表 3)。

2.4.2 导热性

一般来讲，木材导热性很差，导热系数很小。取3块素材分别测试导热系数后，将此3块单板施镀，烘干，再次测试各自的导热系数，取平均值。如表 4所示，镀后单板较素材相比，导热系数由0.119 W·m^-1K^-1提高到0.959 W·m^-1K^-1。说明木材经化学镀后，由于表面沉积的薄薄的金属层，使镀后木材的导热性能大幅度提高。

2.4.3 电磁屏蔽性能

电磁屏蔽效果常用屏蔽效能(SE)表示。屏蔽效能为没有屏蔽时入射或发射电磁波与在同一地点经屏蔽后反射或透射电磁波的比值，即屏蔽材料对电磁信号的衰减值，其单位用分贝(dB)表示。SE越大，表明电磁屏蔽效果越好(闫洪，1999)。电磁波的能衰减率，在30 dB时为99.9%，40 dB时为99.99%，电磁屏蔽材料通常要求达到30~40 dB(杜仕国等，2000)。取桦木素材试件5块和测试表面电阻率的镀后桦木单板试件5块，分别测试电磁屏蔽效能并各自取平均值示于图 8。结果表明，桦木单板素材完全不具有屏蔽电磁波的功能，而镀后桦木单板在9 kHz~1.5 GHz的频率范围内，电磁屏蔽效能达到60 dB左右。

镀镍桦木单板作为电磁屏蔽材料，其电磁屏蔽效能可高达60 dB左右，完全可以用于需要电磁屏蔽的机房、保密室等以有效地防止电磁干扰和电磁泄露，同时还可以发挥木材本身的一些优异的环境学特性。由于木材的质量很轻，达到同样电磁屏蔽效能，镀后桦木单板的质量要比金属的质量轻得甚多。由于桦木单板表面粗糙，使得镀层与其表面结合强度高，而且镀后木材表面的孔隙依然存在，对镀镍桦木单板与其他材料之间胶结等的工艺性能影响不大，便于在实际中推广和应用。

3 结论

SEM观察表明，看似光滑的桦木单板表面是很粗糙的，经化学镀镍后桦木表面金属感极强，但基本构造没有改变；能谱和XPS分析表明，镀层中主要成分为镍，其磷含量极低，为低磷镀层；X射线衍射仪分析表明镀层的组织结构为多晶结构；化学镀镍桦木单板的电磁屏蔽效能在9 kHz~1.5 GHz的频率范围内可达到60 dB，导电性和导热性能较素材有显著提高。