喷射电沉积法直接制备多孔泡沫镍基础研究

摘要

针对目前泡沫金属制备方法普遍存在的工艺复杂、成本较高的缺点，提出了一种直接制备泡沫金属的新方法─喷射电沉积法。该方法基本原理是：在喷射电沉积过程中，采用很高的电流密度，金属沉积层会形成疏松、多孔的泡沫组织；此外，在高电流密度下，析氢反应的发生将产生大量气泡也有助于形成多孔沉积层。同其它方法相比，喷射电沉积法生成的泡沫组织完全是自组织原位生长的，在加工过程中，没有其它辅助材料的介入，工艺简单、成本也相对低廉。本方法在常温、常压下进行，对外界环境和设备要求不高。该项研究对丰富泡沫金属的制造工艺具有重要的现实意义。本文主要做了以下工作：
　　 （1）分析喷射电沉积过程中枝晶生长的基本规律，并采用扩散限制凝聚模型（DLA）对喷射电沉积过程的多孔泡沫组织的形状和生长过程进行了模拟研究，使用喷射电沉积设备对DLA 模型获得的枝晶进行了验证性试验。研究表明：用DLA模型来说明枝晶生长规律是有效的，DLA 模型中的粒子移动速度、粒子释放数、结合概率分别同喷射电沉积工艺中电压、电沉积时间、电解液温度存在着内在的对应联系；模拟生成的粒子沉积层具有明显的枝晶结构，金属粒子从远端沿着主运动方向向阴极移动，被阴极极板俘获，形成了多孔的金属沉积层形貌。
　　 （2）研制了包括控制系统、喷嘴提升机构、机床机械本体、电解液喷射与循环系统、电解液温控装置、阳极腔、喷嘴等部件在内的泡沫金属直接制备试验系统。
　　 使用该装置进行了喷射电沉积试验研究，成功制备了一组具有简单形状和一定厚度的泡沫镍金属样品；讨论了泡沫镍的显微结构、孔隙率和相对密度。
　　 结果表明：①可采用很高的阴极电流密度进行喷射电沉积，其电流密度约为常规电沉积的100 倍，甚至更高；②枝晶容易在高的电流密度下生长，泡沫镍具有比较典型的多孔枝状晶结构；③在高电流密度下，很容易发生析氢反应，释放大量气泡；金属离子在气泡之间的空隙被还原形成多孔的沉积层；④电沉积参数对泡沫镍的相对密度和孔隙率有着比较明显的影响。泡沫镍的孔隙率随着电流密度的提高而减小，随着电解液喷射速度和电解液喷射距离的增加而减小；随着Ni2+浓度增大而减小。泡沫镍样品的孔隙率在50~70％之间、相对密度在0.3~0.5 之间、孔径在0.3mm 以内。
　　 （3）分析了泡沫镍样品的相关力学性能、电学性能、热传导性能。结果表明：
　　 泡沫金属的硬度明显低于实体金属，不同孔隙率的泡沫镍的硬度也相差较大；泡沫镍的静态压缩性能具有明显的三阶段特征，即线弹性变形段、塑性平台段和压实段。
　　 孔隙率越高，平台应力越小；泡沫金属的电阻率明显高于实体金属，且随着孔隙率的增加，泡沫镍电阻率也随着增加。喷射电沉积直接制备的泡沫镍具有良好的散热性能，能够作为散热元件在电子行业中应用。鉴于上述特性，泡沫镍有望在电池电极材料、催化剂载体等方面有所应用。