电沉积法制备泡沫镍的研究.pdf

4 0 有色金属 冶炼部分 电沉积法制备泡沫镍的研究 张秋剁，兰新哲，宋永辉 西安建筑科技大学冶金工程学院，西安7 10 0 5 5 摘要采用聚氨脂泡沫为基律，经预处理、化学镀、电沉积工艺制备了均匀分布三维跚状孔结构的高空隙 率泡沫镍。通过电子扫描电镜 S E M 观察了制备过程中泡沫的形貌，并测定了泡沫镍的主要物理性能。 美键诃泡抹镰；电沉积；制备 中图分类号T B 3 4 ，T Q l 5 3 文献标识码A 文章编号i 0 0 7 7 5 4 5 { Z 0 0 7 0 5 一0 0 4 0 一0 3 P r e p a r a t i o no ft h eN i c k e lF o a mb yE l e c t r o d e p o s i t i o Ⅱ Z H A N GQ i u l i ，L A NX i n z h e ，S O N GY o n g h u i I n s t i t u t eo fM e t a u r g yE n g i n e e r i n g ．X i a nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h o o i o g y ．X k n7 1 0 0 5 5 ，C h i n a A b s t r a c t At h r e e d i m e n s i o ng r i ds t r u c t u r ea n dh i g hp o r o s i t yn i c k e lf o a mh a sb e e np r e p a r e db yp r e t r e a t m e n t a n de l e c t r o d e p o s i t i o np r o c e s su s i n gp o l y u r e t h a n ea sf r a m ef o u n d a t i o n ．T h eb e h a v i o ro ff o a md u r i n ge l e c t r o d e p o s i t i o ni se x a m i n e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ．T h em a i np h y s i c a lp e r f o r m a n c e so fn i c k e lf o a m a r em e a s u r e d ． K e y w o r d s N i c k e lf o a m ；E l e c t r o d e p o s i t i o “；P r e p a r a t i o n 多孔泡沫金属作为一种新型多功能材料，具有 重量轻、隔音、隔热、防震、耐冲击及优良的电学性能 和可回收性等特点，在航空、航天、海陆空武器装备、 通信、能源等方面有着潜在的用途[ 1 1 一。目前国内 外对多孔泡沫金属的制备工艺研究较多，主要有以 下几种 1 固态烧结法； 2 熔体凝固法； 3 金属沉 积法“。J 。金属电沉积技术制备的多} L 泡沫金属具 有空隙率高 8 0 ％～9 0 ％ ，孔结构分布均匀、惯通， 具有三维网络结构等特点。多孔泡沫镍具有良好的 力学性能、导热等性能。本文采用金属电沉积技术 制备泡沫镍，并且测定其主要性能。 1 试验原材料及方法 1 ．1 试剂与仪器 聚氨脂泡沫；K M n q 、C r 0 3 、H 2 S O { 、H C I 、 S n C I t 2 H z O 、N i S O H 2 0 、N a H 。P O H 2 0 、 N H 。C I 等均为分析纯；P d C I 。溶液用9 9 ．9 9 ％的纯 基金项目西安建筑科技大学青年基金项目 D B c 4 0 1 3 作者简介张驮利 1 9 7 3 - - ，男，河北晋州人，博士研究生 金属钯溶解于王水中，加热蒸发除去硝酸，然后用 1 ．0 ％H C l 稀释而成实验．1 _ f j 水皆为一次蒸馏水。 主要仪器有稳压、稳流电源、数字多朋电表等。 1 ．2 试验聂分析方法 先将聚氨酯软泡沫进行预处理，再经化学镀和 电镀就可以制得泡沫金属树料，然后再测试主要性 能。用扫描电镜 S E M 观察泡沫镍的结构，用数字 多用电表测定电镀过程的电压及电流。 2 试验结果与讨论 2 ．1 预处理 由于聚氨脂泡沫为非导体，不能赢接电镀．必须 在电镀前进行导电化处理，即预处理过程。这一过 程包括除油、粗化、敏化、活化、解胶。 2 ．1 ．1 除油 用自购的去油剂配置浓度为5 0g ／L 的除油溶 液，该液可重复使用。将聚氨酯泡沫放人溶液中，恒 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年5 期 4 1 - 温4 5 ℃．5r a i n 后取出。为了使泡沫材料内部能除 油溶液充分接触，应用玻璃棒不断挤压泡沫材料。 最后用蒸馏水进行清洗泡沫。 2 ．1 ．2 粗化 粗化就是将除油后的泡沫材料放人粗化液中打 开泡沫基体的盲} L ，并在其表面形成亲水基团，同时 使其表面的粗糙度增加，以利于下一步处理。粗化 液的主要组成为硫酸和三氧化铬，粗化温度3 7 。C ， 粗化时间5r a i n 。 粗化过程中，在泡沫材料表面有少量的气泡产 生，且泡沫材料有一点变红，这是由于粗化液与泡沫 基体材料发生了反应，使泡沫材料表面被氧化，达到 表面粗糙化的处理的目的。 2 ．1 ．2 敏化 敏化是在泡沫材料表面吸附一层具有还原性的 金属离子亚锡离子 S n ” ，这是泡沫材料电镀 成败的关键因素之一。敏化液的主要成分是氯化亚 锡和盐酸。敏化温度4 5 ℃，敏化时间5r a i n 。 敏化过程中，应加入锡粒，可适当地抑制氯化亚 锡的水解及S n “ 氧化成s n “。 泡沫材料表面生成一层乳白色的乳状物质 s n O H c 1 ，它使泡沫基体上形成一层均匀的吸附 膜，是决定化学镀的关键，所以要注意敏化完毕时泡 沫材料表面有无白色乳状物质产生。 2 ，1 ’3 活化 活化是在基体表面形成具有催化作用的金属 层，活化液中的氯化钯为自制。活化操作为敏化过 后将泡沫材料于3 7 ℃下放人活化液中，5r a i n 后取 出。活化过程中，泡沫材料表面有小气泡产生，且黄 色的活化液中有黑色物质生成，其为金属钯。 2 ．1 ．4 解胶 经活化后的泡沫材料用1 0 ％的盐酸溶液清洗l r a i n 就可以解胶，其目的是为了除去覆盖在P d 表面 的凝胶层，使P d 原子露于表面．起催化作用。 2 ．2 化学镀镍 在具有催化活性的泡沫表面上，利用还原反应， 在泡沫表面沉积一层金属镍，使其具有导电性，可以 进一步电镀。化学镀镍的条件为 g ／L 硫酸镍8 0 ， 次亚磷酸钠2 4 ，醋酸钠12 ，硼酸8 ，氯化铵6 。将预 处理的泡沫基体材料放入化学镀镍溶液中，泡沫表 面有气泡产生，3 0m i n 以后，泡沫材料表面的气泡 产生明显减少，将其取出，表面上生成了一层薄的金 属镍，用蒸馏水清洗备用。 化学镀镍过程中，次亚磷酸根在水溶液中脱氢 而形成亚磷酸根，同时放出原子态氢。原子态氢吸 附在金属镍表面使其活化，将镀液中镍离子还原沉 积。在催化金属表面上，原子态氢还使次磷酸根还 原成磷，同时次磷酸根分解，形成亚磷酸和氢离子， 镍离子被还原。次磷酸盐被氧化的总反应式为 N i 2 一十H 2 P 0 2 一十H 2 0 H P 0 3 2 _ 一N iv 一 3 H 镍原子和磷原子共沉积，并形成镍磷合金镀层。 电镀镍时温度不能太低，否则溶液中的N i 2 十不 能沉积到阴极的泡沫材料表面，而且也不能让泡沫 材料与容器壁接触，由于接触部分形成活化体，使镍 在壁面上的沉积速度加快，从而影响泡沫基体上的 化学镀。所以在化学镀的过程中选择在8 0 ～9 0 ℃ 下进行，并且使泡沫材料悬浮于镀液中。化学镀镍 后泡沫的结构形貌见图l 。从图1 可以看出，化学 镀层较薄且不均匀。 图1 化学镀后泡沫的结构形貌 F i g ．1P h o t o g r a p ho ft h ef o a m a f t e re l e c t r i cp l a t i n g 2 ．3 电镀 为了加强泡沫的韧性、强度，对其进行了电镀 镍。电镀镍是一种电化学过程，将泡沫浸人含有镍 盐 如N i S O 。 的溶液中作为阴极，金属镍板作为阳 极，接通直流电源后，就会在泡沫上沉积出金属镍镀 层。 泡沫的尺寸为3 0m r n 3 0r f t r l l 1 0I T l m ，由电 流密度可计算出所需电流，开始通电电镀起初的2 ～3m i n 内，应将电流调为计算电流的2 ～3 倍，进 行预电镀，然后调到正常值，再电镀3 0r a i n 。这样 可以使泡沫表面迅速生成一层稳囤的镍层，使其导 电均匀，防止化学镀层不均匀的影响，使最终生成的 材料镀层均匀。而且镀液的电流效率低，镀镍速度 较慢，所以提高电流，使表面快速生成一层镍。电镀 镍后的结构形貌见图2 。从图2 可明显看出镍镀层 万方数据 4 2 有色余属 冶炼部分 2 0 0 7 年5 鹃 加厚，但表面粗糙，晶粒不均匀。 图2 电镀后泡沫的结构形貌 F i g ．2P h o t o g r a p ho ft h ef o a ma f t e r c h e m i c a lp l a t i n g 另外，电镀过程的温度对电镀层的内应力、镀液 分散能力和镀速均有影响。升高温度，镀层内应力 减小，产品不出现裂纹且速度m Ⅱ快，但镀液分散能力 降低。实验选择在5 0 ～6 0 ℃下操作。 2 ．4 产品的物理性质测定结果 表观密度1 8 0 ～2 0 0k g ／m 3 、空隙率9 5 蹦～ 9 8 ％、平均孔径1 ．4 ～1 ．8m m 、抗拉强度 2 ．3 0 M P a 、韧性 室温下反复弯曲不折断次数 ≥8 、孔结 构和形状为分布均匀的不规则三角形。其孔隙形貌 见图3 。 3结论 在聚氨脂泡沫基体上，经过预处理、化学镀及电 镀法可制备出性能较好的泡沫镍，其结构分布均匀、 空隙率高，具有很好的抗拉强度和韧性。 圈3 泡沫镍的} L 隙形貌 F i g ．3P h o t o g r a p ho ft h ep o r eo f t h en i c k e lf o a m 参考文献 [ 1 q 左孝青，孙加林．泡沫金属制各技术研究进展 J j 材料 科学与工程学报．2 0 0 4 ，2 2 3 4 5 24 5 B [ 2 ] k a n e t a k eN ．K o b a s h iMI n n o v a t i v eP r o c e s s i n go fP o r 0 1 1 5a n dC e l l u l a rM a t e r i a l sb yC h e m i c a lr e a c t i o n [ J ． S C R I P T AM A T E R I A L I A ，2 0 0 6 ，5 4 5 2 l 5 2 5 r 3 ] 杨振海，罗丽芽，陈开斌，等．泡沫铝技术的国内外进展 [ J l 轻垒属，2 0 0 4 6 3 6 ． [ 4 ] 陈学广，赵维民，马彦东，等 泡沫金属的发展现状、研 究与应用[ J ] ．粉末冶金技术，2 0 0 2 ，g o 6 3 5 6 3 5 9 ． [ 5 ] D o u g l a sT ，Q u e h e i l l a l t ，Y a s u s h iK a t s u m u r a te ta l S y n t h e s i so fS t o c h a s t i cO p e t lC e l lN i b a s e dF o a m s [ - J 7 S C R I P T AM A T E R I A L I A ，2 0 0 4 ，5 0 3 1 3 3 17 万方数据