PVD

PVD

PVD(Physical Vapor Deposition)，指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。它的作用是可以是某些有特殊性能（强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等）的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能！

PVD基本方法：真空蒸发、溅射

1. PVD简介

PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。

2. PVD技术的发展

PVD技术出现于二十世纪七十年代末，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视，人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也在硬质合金、陶瓷类刀具中进行了更加深入的涂层应用研究。与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。目前PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。

PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta－C等多元复合涂层。

3. 涂层的PVD技术

增强型磁控阴极弧：阴极弧技术是在真空条件下，通过低电压和高电流将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。增强型磁控阴极弧利用电磁场的共同作用，将靶材表面的电弧加以有效地控制，使材料的离化率更高，薄膜性能更加优异。

过滤阴极弧：过滤阴极电弧(FCA )配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒， 因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。

磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。根据使用的电离电源的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅射。

离子束DLC：碳氢气体在离子源中被离化成等离子体，在电磁场的共同作用下，离子源释放出碳离子。离子束能量通过调整加在等离子体上的电压来控制。碳氢离子束被引到基片上，沉积速度与离子电流密度成正比。星弧涂层的离子束源采用高电压，因而离子能量更大，使得薄膜与基片结合力很好；离子电流更大，使得DLC膜的沉积速度更快。离子束技术的主要优点在于可沉积超薄及多层结构，工艺控制精度可达几个埃，并可将工艺过程中的颗料污染所带来的缺陷降至最小。

4,补充

物理气向沉积技术 * PVD 介绍 物理气相沉积具有金属汽化的特点，

与不同的气体发应形成一种薄膜涂层。今天所使用的大多数 PVD 方法是电弧和溅射沉积涂层。这两种过程需要在高度真空条件下进行。

Ionbond 阴极电弧 PVD 涂层技术在 20 世纪 70 年代后期由前苏联发明，如今，绝大多数的刀模具涂层使用电弧沉积技术。

工艺温度

典型的 PVD 涂层加工温度在 250 ℃— 450 ℃之间，但在有些情况下依据应用领域和涂层的质量， PVD 涂层温度可低于 70 ℃或高于 600 ℃进行涂层。

涂层适用的典型零件

PVD 适合对绝大多数刀具模具和部件进行沉积涂层，应用领域包括刀具和成型模具，耐磨部件，医疗装置和装饰产品。

材料包括钢质，硬质合金和经电镀的塑料。

典型涂层类型

涂层类型有 TiN, ALTIN,TiALN,CrN,CrCN,TiCN 和 ZrN, 复合涂层包括 TiALYN 或 W — C ： H/DLC

涂层厚度一般 2~5um ，但在有些情况下，涂层薄至 0.5um , 厚至 15um装载容量。

涂层种类和厚度决定工艺时间，一般工艺时间为 3~6 小时。

加工过程优点

适合多种材质，涂层多样化

减少工艺时间，提高生产率

较低的涂层温度，零件尺寸变形小

对工艺环境无污染

图示:

电镀 diàndù (Electroplating)

电镀的概述:利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺。可以起到防止腐蚀,提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用

电镀的主要用途是什么？

1、 提高金属制品或者零件的耐蚀性能。例如钢铁制品或者零件表面镀锌。

2、 提高金属制品的防护-装饰性能。例如钢铁制品表面镀铜、镀镍镀铬等。

3、 修复金属零件尺寸。例如轴、齿轮等重要机械零件使用后磨损，可采用镀铁、镀铬等祸福其尺寸。

4、 电镀还可赋予某种制品或零件某种特殊的功能。例如镀硬铬可提高其耐磨性能等。

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电镀的概念

就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。电镀时，镀层金属做阳极，被氧化成阳离子进入电镀液；待镀的金属制品做阴极，镀层金属的阳离子在金属表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸.电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。

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电镀作用

利用电解作用在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。电镀层比热浸层均匀，一般都较薄，从几个微米到几十微米不等。通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面层，还可以修复磨损和加工失误的工件。镀层大多是单一金属或合金，如钛靶、锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层，如镍-碳化硅、镍-氟化石墨等；还有覆合层,如钢上的铜-镍-铬层、钢上的银-铟层等。电镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外,还有非铁金属,如ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料电镀前,必须经过特殊的活化和敏化处理。

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电镀原理

在盛有电镀液的镀槽中，经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极，用镀覆金属制成阳极，两极分别与直流电源的负极和正极联接。电镀液由含有镀覆金属的化合物、导电的盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成。通电后，电镀液中的金属离子，在电位差的作用下移动到阴极上形成镀层。阳极的金属形成金属离子进入电镀液，以保持被镀覆的金属离子的浓度[1]。在有些情况下，如镀铬，是采用铅、铅锑合金制成的不溶性阳极，它只起传递电子、导通电流的作用。电解液中的铬离子浓度，需依靠定期地向镀液中加入铬化合物来维持。电镀时，阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、电流密度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量，需要适时进行控制。

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电镀方式

电镀分为挂镀、滚镀、连续镀和刷镀等方式，主要与待镀件的尺寸和批量有关。挂镀适用于一般尺寸的制品,如汽车的保险杠,自行车的车把等。滚镀适用于小件，如紧固件、垫圈、销子等。连续镀适用于成批生产的线材和带材。刷镀适用于局部镀或修复。电镀液有酸性的、碱性的和加有铬合剂的酸性及中性溶液，无论采用何种镀覆方式，与待镀制品和镀液接触的镀槽、吊挂具等应具有一定程度的通用性。

镀层分类

镀层分为装饰保护性镀层和功能性镀层两类。

装饰保护性镀层 主要是在铁金属、非铁金属及塑料上的镀铬层,特别是钢的铜-镍-铬层，锌及钢上的镍-铬层。为了节约镍，人们已能在钢上镀铜-镍／铁-高硫镍-镍/铁-低固分镍-铬层。与镀铬层相似的锡／镍镀层，可用于分析天平、化学泵、阀和流量测量仪表上。

功能性镀层 这种镀层种类很多，如：①提高与轴颈的相容性和嵌入性的滑动轴承罩镀层，铅-锡,铅-铜-锡,铅-铟等复合镀层；②用于耐磨的中、高速柴油机活塞环上的硬铬镀层，这种镀层也可用在塑料模具上，具有不粘模具和使用寿命长的特点；③在大型人字齿轮的滑动面上镀铜，可防止滑动面早期拉毛；④用于防止钢铁基体遭受大气腐蚀的镀锌;⑤防止渗氮的铜锡镀层;⑥用于收音机、电视机制造中钎焊并防止钢与铝间的原电池腐蚀的锡-锌镀层。适用于修复和制造的工程镀层,有铬、银、铜等，它们的厚度都比较大，硬铬层可以厚达300微米。

常用表面处理工艺流程

（1） 钢铁件电镀锌工艺流程

┌酸性镀锌

除油 → 除锈→ │ → 纯化 → 干燥

└碱性镀锌

（2） 钢铁件常温发黑工艺流程

┌ 浸脱水防锈油

│

│ 烘干

除油→除锈→常温发黑→│ 浸肥皂液 ——→ 浸锭子油或机油

│

│

└浸封闭剂

（3） 钢铁件磷化工艺流程

除油→除锈→表调→磷化→涂装

（4） ABS/PC塑料电镀工艺流程

除油 → 亲水 → 预粗化（PC≥50%） → 粗化 → 中和 → 整面 → 活化→ 解胶 → 化学沉镍 → 镀焦铜 → 镀酸铜 → 镀半

亮镍 → 镀高硫镍 → 镀亮镍 → 镀封 → 镀铬

（5） PCB电镀工艺流程

除油 → 粗化 → 预浸 → 活化 → 解胶 → 化学沉铜 → 镀铜 → 酸性除油 → 微蚀 → 镀低应力镍 → 镀亮镍 → 镀金 →

干燥

（6） 钢铁件多层电镀工艺流程

除油 → 除锈 → 镀氰化铜 → 镀酸铜 → 镀半亮镍 → 镀高硫镍 → 镀亮镍 → 镍封 → 镀铬

（7） 钢铁件前处理（打磨件、非打磨件）工艺流程

1、打磨件 → 除蜡 → 热浸除油 → 电解除油 → 酸蚀 → 非它电镀

2、非打磨件 → 热浸除油 → 电解除油 → 酸蚀 → 其它电镀

（8） 锌合金件镀前处理工艺流程

除蜡 → 热浸除油 → 电解除油 → 酸蚀 → 镀碱铜 → 镀酸铜或焦磷酸铜 → 其它电镀

（9） 铝及其合金镀前处理工艺流程

除蜡→热浸除油→电解除油→酸蚀除垢→化学沉锌 → 浸酸 → 二次沉新 → 镀碱铜或镍 → 其它电镀

除蜡→热浸除油→电解除油→酸蚀除垢→铝铬化 → 干燥 → 喷沫或喷粉→ 烘干或粗化 → 成品

除蜡→热浸除油→电解除油→酸蚀除垢→阳极氧化 → 染色 → 封闭 → 干燥 → 成品

（10） 铁件镀铬工艺流程：

除蜡 → 热浸除油 → 阴极 → 阳极 → 电解除油 → 弱酸浸蚀 → 预镀碱铜 → 酸性光亮铜（选择）→ 光亮镍 →

镀铬或其它

除蜡 → 热浸除油 → 阴极 → 阳极 → 电解除油 → 弱酸浸蚀 → 半光亮镍 → 高硫镍 → 光亮镍 → 镍封（选择）

→ 镀铬

（11） 锌合金镀铬工艺流程

除蜡 → 热浸除油 → 阴极电解除油 → 浸酸 → 碱性光亮铜 → 焦磷酸铜（选择性）→ 酸性光亮铜（选择性）→ 光亮镍

→镀铬

（12） 电叻架及染色工艺流程

前处理或电镀 → 纯水洗（2-3次） →预浸 → 电叻架 → 回收 → 纯水洗（2-3次）→ 烘干 → 成品

不锈钢镀光亮镍工艺流程:有机溶剂除油→化学除油→水洗→阴极电解活化→闪镀镍→水洗→活化→水洗→镀光亮镍→水洗→钝化→水洗→水洗→热水洗→甩干→烘干→验收。

不锈钢上的光亮镍层是微带黄光的银白色金属，它的硬度比铜、锌、锡、镉、金、银等要高，但低于铬和铑金属。光亮镍在空气中具有很高的化学稳定性，对碱有较好的稳定性。不锈钢上通过运用光亮剂，可不经抛光直接镀取光亮镍，以提高表面的硬度、耐磨性和整平性，在外观上使不锈钢与其他镀镍件外观一致，并且避免不锈钢与其他光亮镍之间产生接触电位差的腐蚀。

不锈钢镀光亮镍的溶液中光亮剂的近年来发展很快，品种很多。归纳起来，光亮剂的发展经历了四个年代。第一代的也是最原始的产品为糖精加丁炔二醇。可以镀取整平性很

高的光亮镍。其运用兴盛于20世纪六七十年代。但由于丁炔二醇在镀镍槽中的不稳定性，寿命较短，有机杂质积累很快，需要经常处理镍槽，于是，通过环氧氯丙烷或环氧丙烷与丁炔二醇结枝，合成了第二代镀镍光亮剂，如BE、791光亮剂，情况有所好转，BE和791保留有炔基，后来又进步将吡啶基聚合上去，形成了第三代产品，出光速度更快，光亮剂用量更少了，使用寿命更长了。现在又进一步运用镀镍光亮剂中间体多种组合构成新型光亮剂已发展到产品了。它的使用量更少，出光速度更快，处理周期更长，深镀能力更强了。

不锈钢镀光亮镍工艺流程:有机溶剂除油→化学除油(氧氧化钠40g/L，碳酸钠30g/L，磷酸三钠50g/L，OP-乳化剂3mL/L，温度80~90 ℃，时间30min)→水洗→阴极电解活化(盐酸水溶液1+1，室温，Dk1~3A/dm2，时间5min，阳极布包碳精板)→闪镀镍(氯化镍180~220g/L，盐酸120g/L，室温，电流密度4A/dm2，时间5~lOmin，阳极镍板)→水洗→活化[硫酸5%(V)，时间5s]→水洗→镀光亮镍(时间5~lOmin，或按厚度所需时间)→水洗→钝化(重铬酸钾1s0g/L，重铬酸钠150g/L，硫酸30~50mL/L，室温，时间20~25s)→水洗→水洗→热水洗→甩干→烘干→验收。

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电镀的过程基本如下

1 把镀层金属接在阳极

2 把镀件接在阴极

3 阴阳极以镀上去的金属的正离子组成的电解质溶液相连

4 通以直流电的电源后，阳极的金属会进行氧化反应(失去电子)，溶液中的正离子则在阴极被还原(得到电子)成原子并积聚在负极表层。

电镀后被电镀物件的美观性和电流大小有关系，电流越小，被电镀的物件便会越美观；反之则会出现一些不平整的形状。

电镀的主要用途包括防止金属氧化 (如锈蚀) 以及进行装饰。不少硬币的外层亦为电镀。

电镀产生的污水(如失去效用的电解质)是水污染的重要来源。

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电镀专业术语

3 镀覆方法术语

3.1 化学钝化

将制件放在含有氧化剂的溶液中处理，使表面形成一层很薄的钝态保护膜的过程。

3.2 化学氧化

通过化学处理使金属表面形成氧化膜的过程。

3.3 电化学氧化

在一定电解液中以金属制件为阳极，经电解，于制件表面形成一层具有防护性，装饰性或其它功能氧化膜的过程。

3.4 电 镀

利用电解原理，使金属或合金沉积在制件表面，形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。

3.5 转 化 膜

对金属进行化学或电化学处理所形成的含有该金属之化合物的表面膜层。

3.6 钢铁发蓝（钢铁化学氧化）

将钢铁制件在空气中加热或浸入氧化性的溶液中，使之于表面形成通常为蓝（黑）色的薄氧化膜的过程。

3.7 冲击电流

电流过程中通过的瞬时大电流。

3.8 光亮电镀

在适当条件下，从镀槽中直接得到具有光泽镀层的电镀。

3.9 合金电镀

在电流作用下，使两种或两种以上金属（也包括非金属元素）共沉积的过程。

3.10 多层电镀

在同一基体上先后沉积上几层性质或材料不同的金属层的电镀。

3.11 冲 击 镀

在特定的溶液中以高的电流密度，短时间电沉积出金属薄层，以改善随后沉积镀层与基体间结合力的方法。

3.12磷 化

在钢铁制件表面上形成一层不溶解的磷酸盐保护膜的处理过程。

3.13 热抗散

加热处理镀件，使基体金属和沉积金属（一种或多种）扩散形成合金的过程。

4 镀前处理和镀后处理术语

4.1 化学除油

在碱性溶液中借助皂化作用和乳化作用清除制件表面油污的过程。

4.2 电解除油

在含碱溶液中，以制件作为阳极或阴极，在电流作用下，清除制件表面油污的过程。

4.3 出 光

在溶液中短时间浸泡，使金属形成光亮表面的过程。

4.4 机械抛光

借助于高速旋转的抹有抛光膏的抛光轮，以提高金属制件表面光亮度的机械加工过程。

4.5 有机溶剂除油

利用有机溶剂清除制件表面油污的过程。

4.6 除 氢

将金属制件在一定温度下加热处理或采用其它方法，以驱除在电镀生产过程中金属内部吸收氢的过程。

4.7 退 镀

将制件表面镀层退除的过程。

4.8 弱 浸 蚀

电镀前，在一定组成溶液中除去金属制件表面极薄的氧化膜，并使表面活化的过程。

4.9 强 浸 蚀

将金属制件浸在较高浓度和一定温度的浸蚀溶液中，以除去金属制件表面上氧化物和锈蚀物的过程。

4.10 镀前处理

为使制件材质暴露出真实表面，消除内应力及其它特殊目的所需，除去油污、氧化物及内应力等种种前置技术处理。

4.11 镀后处理

为使镀件增强防护性能，提高装饰性能及其它特殊目的而进行的（诸如钝化、热熔、封闭和除氢等）处理。

5 材料和设备术语

5.1 阳 极 袋

用棉布或化纤织物制成的套在阳极上，以防止阳极泥渣进入溶液用的袋子。

5.2 光 亮 剂

为获得光亮镀层在电解液中所使用的添加剂。

5.3 阻 化 剂

能够减缓化学反应或电化学反应速度的物质。

5.4 表面活性剂

在添加量很低的情况下也能显著降低界面张力的物质。

5.5 乳 化 剂

能降低互不相溶的液体间的界面张力，使之形成乳浊液的物质。

5.6 络 合 剂

能与金属离子或含有金属离子的化合物结合而形成络合物的物质。

5.7 绝 缘 层

涂于电极或挂具的某一部分，使该部位表面不导电的材料层。

5.8 挂具（夹具）

用来悬挂零件，以便于将零件放于槽中进行电镀或其他处理的工具。

5.9 润 湿 剂

能降低制件与溶液间的界面张力，使制件表面容易被润湿的物质。

5.10添 加 剂

在溶液中含有的能改进溶液电化学性能或改善镀层质量的少量添加物。

5.11 缓 冲 剂

能够使溶液PH值在一定范围内维持基本恒定的物质。

5.12 移动阴极

采用机械装置使被镀制件与极杠一起作周期性往复运动的阴极。

6 测试和检验相关术语

6.1 不连续水膜

通常用于表面被污染所引起的不均匀润湿性，使表面上的水膜变的不连续。

6.2 孔 隙 率

单位面积上针孔的个数。

6.3 针 孔

从镀层表面直至底层覆盖层或基体金属的微小孔道，它是由于阴极表面上 的某些点 的电沉积过程受到障碍，使该处不能沉积镀层，而周围的镀层却不断加厚所造成。

6.4 变 色

由于腐蚀而引起的金属或镀层表面色泽的变化(如发暗、失色等)。

6.5 结 合 力

镀层与基体材料结合的强度。

6.6 起 皮

镀层成片状脱离基体材料的现象。

6.7 剥 离

某些原因（例如不均匀的热膨胀或收缩）引起的表面镀层的破碎或脱落。

6.8 桔 皮

类似于桔皮波纹状的表面处理层。

6.9 海绵状镀层

在电镀过程中形成的与基体材料结合不牢固的疏松多孔的沉积物。

6.10 烧焦镀层

在过高电流下形成的颜色黑暗、粗糙、松散等质量不佳的沉积物，其中常含有氧化物或其他杂质。

6.11 麻点

在电镀或腐蚀中，与金属表面上形成的小坑或小孔。

6.12 粗糙

在电镀过程中，由于种种原因造成的镀层粗糙不光滑的现象。

6.13 镀层钎焊性

镀层表面被熔融焊料润湿的能力。

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电镀锌

电镀锌：就是利用电解，在制件表面形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层的过程。

与其他金属相比，锌是相对便宜而又易镀覆的一种金属，属低值防蚀电镀层。被广泛用于保护钢铁件，特别是防止大气腐蚀，并用于装饰。镀覆技术包括槽镀(或挂镀)、滚镀

（适合小零件）、自动镀和连续镀（适合线材、带材）。

目前，国内按电镀溶液分类，可分为四大类：

1．氰化物镀锌：

由于(CN)属剧毒，所以环境保护对电镀锌中使用氰化物提出了严格，不断促进减少氰化物和取代氰化物电镀锌镀液体系的发展，要求使用低氰(微氰)电镀液。

采用此工艺电镀后，产品质量好，特别是彩镀，经钝化后色彩保持好。

2．锌酸盐镀锌：

此工艺是由氰化物镀锌演化而来的。目前国内形成两大派系，分别为： a) 武汉材保所的”DPE”系列；b) 广电所的”DE”系列 。都属于碱性添加剂的锌酸盐镀锌；PH值为12.5~13。

采用此工艺，镀层晶格结构为柱状，耐腐蚀性好，适合彩色镀锌。

注意：产品出槽后—>水洗—>出光(+盐酸) —>水洗—>钝化—>水洗—>水洗—>烫干—>烘干—>老化处理(烘箱内80~90oC。

3．氯化物镀锌

此工艺在电镀行业应用比较广泛，所占比例高达40%。

钝化后(兰白)可以锌代铬(与镀铬相媲美)，特别是在外加水溶性清漆后，外行人是很难辩认出是镀锌还是镀铬的。

此工艺适合于白色钝化(兰白，银白)。

4．硫酸盐镀锌

此工艺适合于连续镀(线材、带材、简单、粗大型零、部件)。成本低廉

电镀：是指金属在电解过程中利用电子流的作用下，使镀液中金属阳离子还原成金属单质而沉积在阴极镀件表面的过程。

镀料：铜，锡，锡铜合金、锌、铬，还有用于PCB上大电流触点的镀金和镀银。

电镀前需进行前处理，流程包括：酸脱，水洗，热脱，澎润，活化，粗化，回收，后移，中和，表调，预浸，敏化，加速，等等。

还有后处理：阳电解，阴电解，水洗，中和，酸铜等等

电镀镍的工艺流程为：①清洗金属化瓷件；②稀盐酸浸泡；③冲净；④浸入镀液；⑤调节电流进行电镀； ⑥自镀液中取出；⑦冲净；⑧去离子水煮；⑨烘干。

电泳

电泳：带电颗粒在电场作用下，向着与其电性相反的电极移动，称为电泳(electrophoresis, EP)。

名词解释:

电泳：带电荷的蛋白质或核酸分子在电场中移动的现象

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什么是电泳

溶液中带电粒子（离子）在电场中移动的现象。利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术。1937 年瑞典学者 A.W.K.蒂塞利乌斯设计制造了移动界面电泳仪 ，分离了马血清白蛋白的3种球蛋白，创建了电泳技术。

在确定的条件下，带电粒子在单位电场强度作用下，单位时间内移动的距离（即迁移率）为常数，是该带电粒子的物化特征性常数[1]。不同带电粒子因所带电荷不同，或虽所带电荷相同但荷质比不同，在同一电场中电泳，经一定时间后，由于移动距离不同而相互分离。分开的距离与外加电场的电压与电泳时间成正比。

在外加直流电源的作用下，胶体微粒在分散介质里向阴极或阳极作定向移动，这种现象叫做电泳。利用电泳现象使物质分离，这种技术也叫做电泳。胶体有电泳现象，证明胶

体的微粒带有电荷。各种胶体微粒的本质不同，它们吸附的离子不同，所以带有不同的电荷。利用电泳可以确定胶体微粒的电性质，向阳极移动的胶粒带负电荷，向阴极移动的胶粒带正电荷。一般来讲，金属氢氧化物、金属氧化物等胶体微粒吸附阳离子，带正电荷；非金属氧化物、非金属硫化物等胶体微粒吸附阴离子，带负电荷。因此，在电泳实验中，氢氧化铁胶体微粒向阴极移动，三硫化二砷胶体微粒向阳极移动。利用电泳可以分离带不同电荷的溶胶。例如，陶瓷工业中用的粘土，往往带有氧化铁，要除去氧化铁，可以把粘土和水一起搅拌成悬浮液，由于粘土粒子带负电荷，氧化铁粒子带正电荷，通电后在阳极附近会聚集出很纯净的粘土。工厂除尘也用到电泳。利用电泳还可以检出被分离物，在生化和临床诊断方面发挥重要作用。本世纪40年代末到50年代初相继发展利用支持物进行的电泳，如滤纸电泳，醋酸纤维素膜电泳、琼脂电泳；50年代末又出现淀粉凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳等。目前，电泳技术已广泛应用于分析化学、生物化学、临床化学、药理学、免疫学、微生物学、遗传学等科学中。

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电泳种类

按分离原理的不同，电泳分为 4类：移动界面电泳、区带电泳、等电聚焦电泳和等速电泳（见图）。

①移动界面电泳是将被分离的离子（如阴离子）混合物置于电泳槽的一端（如负极），在电泳开始前，样品与载体电解质有清晰的界面。电泳开始后，带电粒子向另一极（正极）移动，泳动速度最快的离子走在最前面，其他离子依电极速度快慢顺序排列，形成不同的区带。只有第一个区带的界面是清晰的，达到完全分离，其中含有电泳速度最快的离子，其他大部分区带重叠（图a）。

②区带电泳是在一定的支持物上，于均一的载体电解质中，将样品加在中部位置，在电场作用下，样品中带正或负电荷的离子分别向负或正极以不同速度移动，分离成一个个彼此隔开的区带（ 图b ）。区带电泳按支持物的物理性状不同，又可分为纸和其他纤维膜电泳、粉末电泳、凝胶电泳与丝线电泳。

③等电聚焦电泳是将两性电解质加入盛有pH梯度缓冲液的电泳槽中，当其处在低于其本身等电点的环境中则带正电荷，向负极移动；若其处在高于其本身等电点的环境中，则带负电向正极移动。当泳动到其自身特有的等电点时，其净电荷为零，泳动速度下降到零，具有不同等电点的物质最后聚焦在各自等电点位置 ，形成一个个清晰的区带（ 图c ），分辨率极高。

④等速电泳是在样品中加有领先离子（其迁移率比所有被分离离子的大）和终末离子（其迁移率比所有被分离离子的小），样品加在领先离子和终末离子之间，在外电场作用下，各离子进行移动，经过一段时间电泳后，达到完全分离。被分离的各离子的区带按迁移率大小依序排列在领先离子与终末离子的区带之间。由于没有加入适当的支持电解质来载带电流 ，所得到的区带是相互连接的（图d），且因“ 自身校正”效应，界面是清晰的，这是与区带电泳不同之处。

电泳分离原理示意图 a 移动界面电泳 b 区带电泳 c 等电聚焦电泳 d 等速电泳 L 领先离子 T 终末离子

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应用

电泳已日益广泛地应用于分析化学、生物化学、临床化学、毒剂学、药理学、免疫学、微生物学、食品化学等各个领域。在直流电场中，带电粒子向带符号相反的电极移动的现象称为电泳（electropho-resis）。1809年物理学家Peнce首先发现了电泳现象，但直到1937年瑞典的Tiselius建立了分离蛋白质的界面电泳（boundary electrophoresis）之后，电泳技术才开始应用。本世纪60-70年代，当滤纸、聚丙烯酰胺凝胶等介质相继引入电泳以来，电泳技术得以迅速发展。丰富多彩的电泳形式使其应用十分广泛。电泳技术除了用于小分子物质的分离分析外，最主要用于蛋白质、核酸、酶，甚至病毒与细胞的研究。由于某些电泳法设备简单，操作方便，具有高分辨率及选择性特点，已成为医学检验中常用的技术。

电泳又名 —— 电着 ( 著 ) ，泳漆，电沉积。创始于二十世纪六十年代，由福特汽车公司最先应用于汽车底漆。由于其出色的防腐、防锈功能，很快在军工行业得到广泛应用。近几年才应用到日用五金的表面处理。由于其优良的素质和高度环保，正在逐步替代传统油漆喷涂。

电泳原理：

电泳是电泳涂料在阴阳两极，施加于电压作用下，带电荷之涂料离子移动到阴极，

并与阴极表面所产生之碱性作用形成不溶解物，沉积于工件表面。

它包括四个过程：

1 ）电解（分解）

在阴极反应最初为电解反应，生成氢气及氢氧根离子 OH ，此反应造成阴极面形成

一高碱性边界层，当阳离子与氢氧根作用成为不溶于水的物质，涂膜沉积，方程式

为： H2O→OH+H

2 ）电泳动（泳动、迁移）

阳离子树脂及 H+ 在电场作用下，向阴极移动，而阴离子向阳极移动过程。

3 ）电沉积（析出）

在被涂工件表面，阳离子树脂与阴极表面碱性作用，中和而析出不沉积物，沉

积于被涂工件上。

4 ）电渗（脱水）

涂料固体与工件表面上的涂膜为半透明性的，具有多数毛细孔，水被从阴极涂

膜中排渗出来，在电场作用下，引起涂膜脱水，而涂膜则吸附于工件表面，而

完成整个电泳过程。

• 电泳表面处理工艺的特点：

电泳漆膜具有涂层丰满、均匀、平整、光滑的优点，电泳漆膜的硬度、附着力、

耐腐、冲击性能、渗透性能明显优于其它涂装工艺。

电泳(杨学辉)

电泳(Electrophoresis)是指带电荷的粒子或分子在电场中移动的现象称为电泳.大分子的蛋白质,多肽,病毒粒子,甚至细胞或小分子的氨基酸,核苷等在电场中都可作定向泳动.1937年Tiselius成功地研制了界面电泳仪进行血清蛋白电泳,它是在一U型管的自由溶液中进行的,电泳后用光学系统使各种蛋白所形成折光率差别成为曲线图象,将血清蛋白分为白蛋白,α1-球蛋白,α2-球蛋白,β-球蛋白和γ-球蛋白五种,随后,Wielamd 和Kanig 等于1948年采用滤纸条做载体,成功地进行了纸上电泳.从那时起,电泳技术逐渐被人们所接受并予以重视,继而发展以滤纸,各种纤维素粉,淀粉凝胶,琼脂和琼脂糖凝胶,醋酸纤维素薄膜,聚丙烯酰胺凝胶等为载体,结合增染试剂如银氨染色,考马斯亮蓝等大大提高和促进生物样品着色与分辨能力,此外电泳分离和免疫反应相结合,使分辨率不断朝着微量和超微量(1ng～0.001ng)水平发展,从而使电泳技术获得迅速推广和应用.在此主要介绍常用电泳的一般原理及其应用.

(一)电泳的基本原理

生物大分子如蛋白质,核酸,多糖等大多都有阳离子和阴离子基团,称为两性离子.常以颗粒分散在溶液中,它们的静电荷取决于介质的H+浓度或与其他大分子的相互作用.在电场中,带电颗粒向阴极或阳极迁移,迁移的方向取决于它们带电的符号,这种迁移现象即所谓电泳.

如果把生物大分子的胶体溶液放在一个没有干扰的电场中,使颗粒具有恒定迁移速率

的驱动力来自于颗粒上的有效电荷Q和电位梯度E.它们与介质的摩擦阻力f抗衡.在自由溶液中这种抗衡服从Stokes定律.

F=6πrvη

这里v是在介质粘度为η中半径为r的颗粒的移动速度.但在凝胶中,这种抗衡并不完全符合Stokes定律.F取决于介质中的其他因子,如凝胶厚度,颗粒大小,甚至介质的内渗等.

电泳迁移率(mbility)m规定为在电位梯度E的影响下,颗粒在时间t中的迁移距离d.

d

m= ------------ 或 m=V / E

t·E

迁移率的不同提供了从混合物中分离物质的基础,迁移距离正比于迁移率.

(二)影响电泳的因素

1. 电泳介质的pH值

溶液的pH值决定带电物质的解离程度,也决定物质所带净电荷的多少.对蛋白质,氨基酸等类似两性电解质,pH值离等电点越远,粒子所带电荷越多,泳动速度越快,反之越慢.因此,当分离某一种混合物时,应选择一种能扩大各种蛋白质所带电荷量差别的pH值,以利于各种蛋白质的有效分离.为了保证电泳过程中溶液的pH值恒定,必须采用缓冲溶液.

缓冲液的离子强度

溶液的离子强度(Ion intensity)是指溶液中各离子的摩尔浓度与离子价数平方的积的总和的1/2.带电颗粒的迁移率与离子强度的平方根成反比.低离子强度时,迁移率快,但离子强度过低,缓冲液的缓冲容量小,不易维持pH恒定.高离子强度时,迁移率慢,但电泳谱带要比低离子强度时细窄.通常溶液的离子强度在0.02～0.2之间.

I=1/2∑CiZi2 (I:离子强度;Ci:离子的摩尔浓度;Zi:离子价数. )

0.154M NaCl溶液的离子强度为:

I= 1/2(0.154×12+0.154×12)=0.154

0.015M Na2SO4溶液的离子强度为:

I= 1/2(0.015×2×12+0.015×22)=0.045

3. 电场强度

电场强度(电势梯度Electric field intensity)是指每厘米的电位降(电位差或电位梯度).电场强度对电泳速度起着正比作用,电场强度越高,带电颗粒移动速度越快.根据实验的需要,电泳可分为两种:一种是高压电泳,所用电压在500～1000V或更高.由于电压高,电泳时间短(有的样品需数分钟),适用于低分子化合物的分离,如氨基酸,无机离子,包括部分聚焦电泳分离及序列电泳的分离等.因电压高,产热量大,必须装有冷却装置,否则热量可引起蛋白质等物质的变性而不能分离,还因发热引起缓冲液中水分蒸发过多,使支持物(滤纸,薄膜或凝胶等)上离子强度增加,以及引起虹吸现象(电泳槽内液被吸到支持物上)等,都会影响物质的分离.

另一种为常压电泳,产热量小,室温在10～25℃分离蛋白质标本是不被破坏的,无需冷却装置,一般分离时间长.

4. 电渗现象

在电场中液体对于一个固体的固定相相对移动称为电渗.在有载体的电泳中,影响电泳移动的一个重要因素是电渗.最常遇到的情况是γ-球蛋白,由原点向负极移动,这就是电渗作用所引起的倒移现象.产生电渗现象的原因是载体中常含有可电离的基团,如滤纸中含有羟基而带负电荷,与滤纸相接触的水溶液带正电荷,液体便向负极移动.由于电渗现象往往与电泳同时存在,所以带电粒子的移动距离也受电渗影响;如电泳方向与电渗相反,则实际电泳的距离等于电泳距离加上电渗的距离.琼脂中含有琼脂果胶,,其中含有较多的硫酸根,所以在琼脂电泳时电渗现象很明显,许多球蛋白均向负极移动.除去了琼脂果胶后的琼脂糖用作凝胶电泳时,电渗大为减弱.电渗所造成的移动距离可用不带电的有色染料或有色葡聚糖点在支持物的中心,以观察电渗的方向和距离.

(三)电泳的分类

目前所采用的电泳方法,大致可分为3类:显微电泳,自由界面电泳和区带电泳.区带电泳应用广泛,区带电泳可分为以下几种类型:

按支持物的物理性状不同,区带电泳可分为:

(1)滤纸为支持物的纸电泳;

(2)粉末电泳: 如纤维素粉,淀粉,玻璃粉电泳;

(3)凝胶电泳:如琼脂,琼脂糖,硅胶,淀粉胶,聚丙烯酰胺凝胶电泳;

(4)缘线电泳:如尼龙丝,人造丝电泳

2. 按支持物的装置形式不同,区带电泳可分为:

(1)平板式电泳:支持物水平放置,是最常用的电泳方式;

(2)垂直板电泳:聚丙烯酰胺凝胶可做成垂直板式电泳.

(3)柱状(管状)电泳:聚丙烯酰胺凝胶可灌入适当的电泳管中做成管状电泳.

3.按pH的连续性不同,区带电泳可分为:

(1)连续pH电泳:如纸电泳,醋酸纤维素薄膜电泳;

(2)非连续pH电泳:如聚丙烯酰胺凝胶盘状电泳;

(四)电泳所需的仪器

电泳所需的仪器有:电泳槽和电源.

1. 电泳槽

电泳槽是电泳系统的核心部分,根据电泳的原理,电泳支持物都是放在两个缓冲液之间,电场通过电泳支持物连接两个缓冲液,不同电泳采用不同的电泳槽.常用的电泳槽有:

(1)圆盘电泳槽:有上,下两个电泳槽和带有铂金电极的盖.上槽中具有若干孔,孔不用时,用硅橡皮塞塞住.要用的孔配以可插电泳管(玻璃管)的硅橡皮塞.电泳管的内径早期为5～7mm,为保证冷却和微量化,现在则越来越细.

(2)垂直板电泳槽:垂直板电泳槽的基本原理和结构与圆盘电泳槽基本相同.差别只在于制胶和电泳不在电泳管中,而是在块垂直放置的平行玻璃板中间.

(3)水平电泳槽:水平电泳槽的形状各异,但结构大致相同.一般包括电泳槽基座,冷却板和电极.

电源

要使荷电的生物大分子在电场中泳动,必须加电场,且电泳的分辨率和电泳速度与电泳时的电参数密切相关.不同的电泳技术需要不同的电压,电流和功率范围,所以选择电源主要根据电泳技术的需要.如聚丙烯酰胺凝胶电泳和SDS电泳需要200～600V电压.

(五)电泳技术的应用

1. 聚丙烯酰胺凝胶电泳可用做蛋白质纯度的鉴定.聚丙烯酰胺凝胶电泳同时具有电荷效应和分子筛效应,可以将分子大小相同而带不同数量电荷的物质分离开,并且还可以将带相同数量电荷而分子大小不同的物质分离开.其分辨率远远高于一般层析方法和电泳方法,可以检出10-9～10-12g的样品,且重复性好,没有电渗作用.

2. SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳可测定蛋白质分子量.其原理是带大量电荷的SDS结合到蛋白质分子上克服了蛋白质分子原有电荷的影响而得到恒定的荷/质比.SDS聚丙烯酰胺凝

胶电泳测蛋白质分子量已经比较成功,此法测定时间短,分辨率高,所需样品量极少(1～100μg),但只适用于球形或基本上呈球形的蛋白质,某些蛋白质不易与SDS结合如木瓜蛋白酶,核糖核酸酶等,此时测定结果就不准确.

3. 聚丙烯酰胺凝胶电泳可用于蛋白质定量.电泳后的凝胶经凝胶扫描仪扫描,从而给出定量的结果.凝胶扫描仪主要用于对样品单向电泳后的区带和双向电泳后的斑点进行扫描.

4.琼脂或琼脂糖凝胶免疫电泳可用于①检查蛋白质制剂的纯度;②分析蛋白质混合物的组分;③研究抗血清制剂中是否具有抗某种已知抗原的抗体;④检验两种抗原是否相同.

(六)电泳后结果检测

对于不同的目的,应采用不同的检测方法.用染料和生物大分子结合形成有色的复合物是电泳后检测最常用的方法.

(七)聚丙烯酰胺凝胶电泳结果不正常现象和对策

1. 指示剂前沿呈现两边向上或向下的现象.向上的\"微笑\"现象说明凝胶的不均匀冷却,中间部分冷却不好,所以导致凝胶中分子有不同的迁移率所致.这种情况在用较厚的凝胶以及垂直电泳中时常发生.向下的\"皱眉\"现象常常是由于垂直电泳时电泳槽的装置不合适引起的,特别是当凝胶和玻璃板组成的\"三明治\"底部有气泡或靠近隔片的凝胶聚合不完全便会产生这种现象.

2.\"拖尾\"现象是电泳中最常见的现象.这常常是由于样品溶解不佳引起的,克服的办法是在加样前离心,选用合适的样品缓冲液和凝胶缓冲液,加增溶辅助试剂.另一方法是降低凝

胶浓度.

3.\"纹理\"现象常常是由于样品中不溶颗粒引起的,克服办法是增加溶解度和离心除去不溶性颗粒.

4. 蛋白带偏斜常常是由于滤纸条或电极放置不平行所引起的,或由于加样位置偏斜而引起.

5. 蛋白带过宽,与邻近蛋白泳道的蛋白带相连,这是由于加样量太多或加样孔泄漏引起的.

6. 蛋白带模糊不清和分辨不佳是由于多种原因引起的.虽然梯度凝胶可以提高分辨率,但与其他方法相比,常规聚丙烯酰胺凝胶电泳是分辨率较低的方法.为了提高分辨率,不要加过多的样品,小体积样品可给出窄带.加样后应立即电泳,以防止扩散.选择合适的凝胶浓度,使组分得以充分的分离.通常靠近前沿的蛋白带分辨率不佳,所以应根据分子量与凝胶孔径的关系,灌制足够长度的凝胶,以使样品不会走出前沿.样品的蛋白水解作用也引起扩散而使分辨率降低.水解作用通常发生在样品准备的时候,系统中的内源性蛋白酶会水解样品蛋白,如果在缓冲液中加蛋白酶抑制剂可以减少这种情况的发生.

常用于生物化学技术。

阳极氧化

阳极氧化

anodic oxidation

金属或合金的电化学氧化。将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性 、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。例如铝阳极氧化，将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化 ，表面上形成氧化铝薄层 ，其厚度为5～20微米 ，硬质阳极氧化膜可达60～200微米 。阳极氧化后的铝或其合金，提高了其硬度和耐磨性，可达250～500千克／平方毫米，良好的耐热性 ，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K ，优良的绝缘性 ，耐击穿电压高达2000V ，增强了抗腐蚀性能 ，在ω＝0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金（如铝、镁及其合金等）都可进行阳极氧化处理，这种方法广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪器及无线电器材，日用品和建筑装饰等方面。

补充：除金属外，其他物质在阳极所引起的氧化作用，也称为“阳极氧化”

补充：在现实工艺中，针对铝合金的阳极氧化，比较多，可以应用在日常生活中，以为这种工艺的特性，使铝件表面产生坚硬的保护层，可用于生产厨具等日用品。但铸造铝的阳极氧化效果不好，表面不光良，还只能是黑色。铝合金型材就要好一点。