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1、电沉积法制备泡沫铁作者张凤鑫11摘要以聚氨酯泡沫为基体，经预处理，化学沉积、电沉积和焚烧及热还原工艺制备了均匀分布三维网状孔结构的、高空隙率（95%）且具有一定拉伸强度的泡沫铁材料。通过生物显微镜观察了制备过程各步骤产品的形貌。关键词电沉积 制备 泡沫铁ABSTRACTA novel method for preparing very porous foamy iron wasproposed , in which the polyurethane foam as substrate was processed by pret reatment , electrodeposition and
2、roasting-reduction . The foamy iron presents a three-dimensional network structure with high porosity , uniformity , mechanica l strength and tenacity .KEY WORDSElectrodeposition , Manufacturing ,一. 前言发泡金属又称泡沫金属，是一种新型的功能材料，从结构上可分 为多泡性发泡金属和通透性发泡金属两种，前者含有大量独立存在的 气泡，而后者则以连续畅通的三维多孔结构为主。由于结构不同，性 质也有很大的差异
3、，具有不同的用途。发泡金属的制备方法有很多种1，包括有铸造法，粉末冶金法、 烧结法、沉积法和高压浸透法，气相蒸发沉积法等。本实验是采用电沉积法制备发泡金属铁，是指在通电条件下，溶 液中的金属离子沉积在基体上的电镀过程。所谓的电镀过程，它是一 种电沉积过程，具体说来，是电解液中的金属离子在直流电的作用下， 在阴极上沉积出金属的过程。电镀法采用以发泡树脂为基体，分三步 来完成的：即首先将原料(聚氨酯发泡树脂)表面做导电处理，处理 过程包括洗涤，粗化、敏化、活化、化学镀或涂覆导电浆；然后在适 当的条件下进行电镀；电镀后烧结除去有机基体，并在H2流中还原。 也可以将碳纤维制成的毡作基体，洗净处理后直接
4、进行电镀，再经洗 净、干燥、烧结还原，即得发泡金属。用电镀法制备发泡金属一般只 适用于导电性较好的金属，如Ni、Ni合金、Cu、Cu合金、Ag等。 采用电镀法，其独特之处在于可以生产出高度均匀和孔隙率高的发泡 金属在某些情况下，为了改善镀层的连续性和保证镀层与基体金属或 合金之间具有必要的结合力，往往在基体金属上镀一层其他金属或合 金作为中间镀层。如果金属在中间镀层上比在基体金属上容易析出， 那么就有利于获得连续而比较均匀的镀层。本实验就是先在树脂上化 学镀，作为中间体，再电镀铁。发泡金属具有许多诱人的特性，如：(1)它的重量轻，比重仅有母体金属的2%60%；(2)比表面积大，高达106m2/
5、m3；(3)它 的通透性好，对液体和气体的阻力很小；(4)能量吸收强，可以吸 收震动和声波等；(5)热导率低；(6)电磁屏蔽性好；(7)阻燃 性优良；(8)有良好的催化性；(9)有极佳的气敏性等。因此，已 经开发和正在开发的用途很广泛，如能量吸收器、减振器、过滤器、 阻燃器、换热器、内燃机的排气消音器、多孔电极、充电池的极板材 料、高温填料、电磁屏蔽材料、太阳能转换器、化学工业的催化剂及 催化剂载体，慢性约束核聚变激光试验中的超热电子抑制材料等。预 计在航天航空、能源材料、化工、冶金、仪器仪表等方面，均有着很 好的应用前景。泡沫金属的机械性质主要取决于其密度，但也与其孔径，孔结构 及孔分布状态
6、有很大的关系。密度反映了孔隙率，所以孔隙率是决定 泡沫金属机械性能的重要参数。以烧结法制备的低密度泡沫镍（95% 孔隙率），在退火条件下几乎不能施加负荷，电沉积法生产的孔隙率 为96%的泡沫镍，拉伸强度大于1.3N/mm2。早在1951年就成功地 生产出了泡沫铝，但其机械性能却不好，为了改善泡沫铝的强度性质， 采用的方法有：（1）加入增粘剂，通常为含氧物质，与金属铝在原 位形成氧化物；（2）在熔融状态的泡沫铝中加入高达 30%的铝渣， 可以得到较高强度的泡沫铝；（3）断续热处理和老化热处理可提高 泡沫合金的强度；（4）在泡沫金属中添加增强纤维，可以大大提高 其强度性质。通透性是多孔金属做为过滤
7、材料，液液分离材料和消音材料等用 途的关键性质。一般地，通透性随孔径的增加而增大，但它也受孔面 积粗糙度的影响，而且受闭孔数目的影响很大，只有那些具有开孔结 构的泡沫金属才具有高的通透性。用金属丝粉末冶金（纤维冶金）法 生产的多孔材料，作为过滤材料使用，有很多的优点。这种方法适用 于多种金属，如铜，镍，镍铬合金，不锈钢等。泡沫金属作为吸收声波材料，其吸收率可高达 99%以上。泡沫金 属对声波的吸收能力受孔结构的影响较大，而且不同孔结构的泡沫对 不同频率的声波吸收能力是不同的。多数情况下，开孔越多，吸音性 越好。孔的大小对所有频率声波的吸收能力均有影响，孔径越小，吸 收频率越高。最小孔径的泡沫镍
8、对声波有最好的吸收，所以改变孔径 和材料的形状，可以改善泡沫金属对声波的吸收性。泡沫金属的传导性是指泡沫金属对热及电的传导性。在给定体积 的泡沫金属中，所含的金属量很少，而且孔隙率越高，含量越少。这 就意味着其电及热的传导性要比母体金属差得多。试验表明：密度为 母体金属 4%的泡沫铜和镍，其电导率只有母体的1%左右。泡沫镍 的热导约为金属镍的 1%；泡沫铝的热导也很低；泡沫铝的电阻却高 达101OQ数量级，所以泡沫金属具有很好的热、电绝缘性。泡沫金属仍保有母体金属的铁磁性，因此它具有电磁屏蔽性。发 泡镍具有良好的屏蔽效果。研究表明，发泡金属的电磁屏蔽性能在一 定数值以上不受体积密度的影响，但受
9、孔径大小的影响。泡沫金属的应用范围很广，正在开发的用途日益增加。目前，泡 沫金属的发展已受到很大的关注，下面列举几项它的应用。泡沫金属作为减振器（或能量吸收器）可能的应用范围从内燃机 的消音器到一些机械的紧固装置，航天飞机的保护外壳、碰撞记录仪， 以及航天飞机的着陆“脚”等等。泡沫铝是一种优良的能量吸收材料， 它可以用在起重机和传送带的安全缓冲系统中；在高速球磨机中，可 作为能量吸收衬里保护膜；作为减振材料，也可以用在汽车工业中。 而510%母体金属密度的泡沫铜作为减振材料，其性能优于橡胶。泡沫金属是一类很好的过滤材料，可用于过滤除去气体、液体中 的固体颗粒，如用于石油、汽油、制冷剂、高聚物熔
10、体、水悬浮液， 高炉气等的过滤，净化。特别是一些需要在较高温度下过滤的气体和 液体（如金属液体），更能显示泡沫金属过滤器的重要性。现在用的 最多的金属过滤材料是泡沫铜及泡沫不锈钢。用泡沫铜可以过滤除去 输气管线中的灰尘等杂质，也可以用在呼吸装置系统中以取代丝网过 滤材料，提供更好的过滤性能。泡沫镍可用于过滤除去水，燃料油及 流体控制系统中的微小固体颗粒。用电沉积法生产的泡沫金，可用于 过滤除去强腐蚀性液体中的固体颗粒。而在分离介质应用中，如从水 中分离油；扩散介质（也称为分布器），如向液体中通入气体或向液 体流中通入CO2等，可以通过泡沫金属分散成微气泡。在生物化学领 域，可以用压缩金属泡沫作
11、为渗透膜的支持体。从原理上讲，泡沫金 属也可以作为渗透与反渗透材料，可用于脱盐和除氢，废水处理等等。 我们为了提高孔隙率，常常加入疏松剂，这种试剂在烧结过程中分解 或挥发，也可以通过升华或浸取除去。如在生产铁、镍、铜或它们的 合金过滤器时，常加入甲基纤维素做疏松剂，孔隙率可提高到70% 90%。泡沫金属是一类优良的消音材料。利用泡沫金属扩散降压，几乎 可以完全消除在高压输气管道降压时产生高分贝的噪音，而且对气流 没有太大的影响。日本已将泡沫金属用于汽车工业及内燃机汽缸消音 和列车发电机室的消音，还用在了录音棚的消音等等，作为消音材料 用途很广。泡沫金属是一类优良的阻燃器材料，它可以阻止火焰通过
12、，让气 体自由通过，相当于从燃烧的气体中将火焰“过滤”掉。因此在矿井 的电机及电源开关，炼油厂及其它类似的工厂中，有着重要的用途。泡沫金属具有很高的比表面积，因此是加热器及热交换器的优良 材料。泡沫镍可以吸收转化照在其上的 90%的太阳能，因此它可能被 用作太阳能收集器。泡沫镍对于循环空气加热器也是一种有效的加热 过滤材料。泡沫镍用于电阻式水热器比其它材料要好的多，且具有较 低的表面温度。在换热机械装置中，如果将泡沫金属直接做在换热管 的内外表面，则可以大大增加换热面积，提高换热速度和效率。泡沫金属的特殊结构及物理性能表明这是一类轻质、优良的结构 材料，特别在200C以上的高温下使用，更显其优
13、越性。泡沫铝已用 于飞机上复合材料的芯片，泡沫镍已用于墙体或地板的加热瓦，将泡 沫镍卷成圆柱状，可作为带钢加热管，用于各种液体，包括液体金属 的加热。泡沫金属也可用于多孔结构的抗压增强填料，其开孔结构可 允许热流体进入以防冷冻，将泡沫金属粘结在固体基体上，可以制得 多功能的结构材料。泡沫金属与高分子聚合物复合可制得具有优良性 能的结构材料等等。泡沫金属可用作碱性电池及燃料电池的极板材料，特别是发泡镍 用于镍氢，镍铬充电电池，其电池容量可分别提高50%和30%。发 泡镍也可作为电化学反应器的多孔电极。利用发泡镍制作电化学脉冲 流反应器，进行苯乙醇的氧化，可大大提高电流效率及转化率。在化学工业中，
14、泡沫金属是一种很有吸引力的金属材料。它用于 精馏塔的填料及塔板材料，可大大提高理论塔板数。因为它具有很高 的比表面积，所以也是一种很好的催化剂或催化剂载体。有数据表明， 用泡沫金属做催化剂可比其它催化剂提高50 倍以上的效果。银是工业上常用的催化剂，多用于选择性氧化，如乙烯氧化成环 氧乙烷等。目前，应用的有两种，一种是附载型，另一种是银丝。前 者催化剂使用寿命短，再生及回收困难，后者的比表面积小，催化活 性低。考虑到发泡金属的特点，如将银制成发泡银用以代替目前的银 催化剂，可具有一定的特点。在化学工业中，铁也可作为催化剂，用 发泡铁，就是充分利用它的高空隙率，通透性好的特点，以代替铁粉。二.
15、实验2.1 仪器及试剂2.1.1仪器：晶体管直流稳压电源（上海产），IAS4型图象分析仪，生物显微镜，国产 HDV-7C 型恒电位仪，电镀槽，电 磁感应炉，可控硅温度器， YJ92/5 型直流稳流电源等。2. 1. 2 试剂：聚氨酯软泡沫，厚度2. 4mm ，空隙率为90%以上；KMnO , HSO （ pH SO =1.84 ）,草酸,SnCl 2424242H2O , HCl （ 36%水溶液）,PdCl2 , NaH2PO2 2H2O , NaOH , NiSO4 6H2O，柠檬酸钾,NH4Cl ,FeC - 4H2O，NaCl。实验用试剂均为分析纯，实验用水皆为一次蒸馏水。2.1.3
16、试剂配制SnCl2 2H2O ( 20g/L )溶液配制：称取 10g SnCl?2H2O ，并用少量 1：1 的盐酸溶液溶解，加水稀释至5 00ML。PdCl2( 0.2g/L )溶液配制：将 99.99%的纯金属钯加 入到少量浓盐酸中，加少量过氧化氢，并加热使其溶解， 加水稀释至 1L。FeCl24H2O ( 60g/L )溶液配制：称取 60g FeCl?4H2O ，用少量盐酸在加热条件下将其溶解，加水稀释 至 1L。2. 2 实验方法发泡铁的制备步骤：聚氨酯软泡沫一洗涤一粗化一敏化 f活化f解胶f化学沉积f电沉积f焚烧f热还原f 泡沫铁2. 2.1 洗涤用洗衣粉将泡沫清洗干净，除去泡沫表面在生产及运输 过程中沾染的油污及机械杂质，用蒸馏水多次冲洗干 净。2. 2. 2 粗化实验
