CN101265549A - 泡沫铁镍复合金属材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡沫铁镍复合金属材料及其制备方法，所述泡沫铁镍复合金属材料结构呈三维或二维网状，由金属铁和镍的合金构成基层，在合金基层之上是作为防护层的金属镍层，金属镍占复合金属材料总质量的5％～29％，余量为铁。其制备方法是采用铁镍合金电镀在导电化多孔基材上镀覆铁镍合金基层，再在基层上镀覆形成镍金属层，最后经高温热处理形成铁镍梯度功能防护层。本发明降低了镍的使用量，可有效降低成本，使之可替代多孔镍材料而应用于电池基板、电磁屏蔽、吸音、过滤等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔金属材料及其制备方法，具体涉及一种泡沫铁镍复合金属材料及其制备方法。
背景技术
泡沫镍不仅是二次电池的电极正极基板材料，而且还应用于吸音、过滤、电磁屏蔽等领域。但对于泡沫镍材料而言，由于大量使用金属镍，镍的成本占其制造成本的80％以上。目前镍资源日益贫乏，镍的价格飞涨，2005年约8万元/吨，现在已逼近40万元/吨，涨了近5倍。为降低生产成本，人们正在努力寻求其他廉价泡沫金属材料取代泡沫镍，如泡沫铁、泡沫铁基复合材料等。
但纯泡沫铁材料由于其镀层张应力很大，容易出现开裂现象，且其耐腐蚀性能和耐氧化性能差，不利于工业上长时间保存、运输和使用，因而其无法规模化应用。
泡沫铁基复合材料是在铁基体层上覆镍而制备得到的材料，由于铁和镍两种金属的物理性能差别较大，在两个不同的金属镀层之间存在较大应力，因此在电镀过程中镀层容易出现开裂现象；并且由于金属镍层无法完整覆盖基层铁金属层，镍铁形成微原电池，加速了材料的腐蚀，这也使其无法规模化应用。
本申请人在此前申请的专利“可卷绕多孔铁镍合金材料”(申请号200410022872.4)中公开了一种多孔铁镍合金材料及其制备方法，虽然已克服了上述两种材料的缺陷，但镍仍占到材料总质量的30~50％，镍的使用量仍较大。
发明内容
本发明旨在提供一种镍使用量低、制造成本低、耐腐蚀性强的泡沫铁镍复合金属材料及其制备方法。
本发明之泡沫铁镍复合金属材料，呈三维或二维网状结构，由金属铁和镍的合金构成基层，在合金基层之上以金属镍层作为防护层，金属镍占复合金属材料总质量的5％~29％，余量为铁。
本发明之泡沫铁镍复合金属材料的制备方法：包括非金属基材的导电化-电镀铁镍合金-形成镍防护层-热处理四个步骤，其特征在于，采用一步电镀同时沉积金属镍和铁以形成铁镍合金基层，电镀溶液采用NiSO4-FeCl2合金电镀体系，电镀液中Ni2+和Fe2+的总浓度为45~80g/L，Ni2+质量浓度与Fe2+质量浓度之比为0.5～3.0。
所述非金属基材可选用以下所述有机多孔基材中的一种：聚氨酯海绵、无纺布、棉布、纤维布、化纤织物或纤维网。对待镀非金属基材导电化可从现有技术中任选一种，这些技术非限制性地包括化学镀镍、真空镀镍以及涂覆导电粒子等；导电化后的非金属基材在整体电镀槽中一步完成镍铁合金电镀以形成铁镍合金基层，电镀溶液采用NiSO4-FeCl2合金电镀体系，镀液中Ni2+和Fe2+的总浓度为45~80g/L，Ni2+与Fe2+的质量浓度之比为0.5～3.0，糖精的浓度为3~6g/L，温度为40～60℃，控制电流密度在8～15A/dm2，为提高电镀质量还可选择使用常规的铁络合剂如柠檬酸、酒石酸钾钠等，为防止亚铁离子氧化可选择添加还原剂，如维生素C、碘化钾等；镀覆时间由所要求的金属镀覆总量及电流密度来确定；之后再采用电镀镍、化学镀镍、物理气相沉积镍工艺中的一种或多种工艺结合，在基层合金层上形成镍防护层，依据第二步中已镀覆的合金总量、所需的最后金属总量、镍与铁的质量比，控制上镍量；最后在氢气还原气氛中进行热处理，温度为900～1100℃，以去除非金属基材，得到泡沫铁镍复合金属材料成品，镍量占到成品复合金属材料的5％~29％。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1.产品耐腐蚀性能优良。分别将大小为10cm×10cm、镀覆金属量为420g/m2的泡沫铁、本发明的泡沫铁镍复合金属材料、专利申请200410022872.4中的多孔铁镍合金以及泡沫镍同时置于常温常压下相同的自然室内环境中，考察其自然锈蚀的程度，结果如表1：
表1不同多孔金属材料自然锈蚀程度
从表1中可看出本发明的泡沫铁镍复合金属材料的耐腐蚀性能明显优于多孔铁，而与多孔铁镍合金和泡沫镍的耐蚀性能相当；本发明由于在电镀过程中镍和铁形成共沉积，以合金形式同时镀覆在多孔基材表面，再在该层合金层上覆盖防护镍层，可大大提高耐腐蚀的程度。
2.镍使用量低，制造成本低。本发明的泡沫铁镍复合金属材料70～95％的有色金属镍被普通金属铁替代，在各项性能基本满足要求的条件下，大大降低了镍的使用量，在镍价持续飞涨的今天，材料的制造成本也大幅降低，具有很强的市场竞争优势，也为使用该材料的下游产品给予了强大的技术支撑。
具体实施方式
实施例1
本实施例产品呈三维网状结构，镀覆金属量为410g/m2，产品中镍的质量百分比为5％，余量为铁；产品的孔数为110PPI，孔隙率≥95％。
制备：首先采用常规化学镀镍工艺对聚氨酯海绵基材导电化，再将导电化后的基材在整体电镀槽中一步电镀铁镍合金，采用NiSO4-FeCl2合金电镀体系，电镀液中Ni2+和Fe2+的总浓度为45g/L，Ni2+浓度与Fe2+浓度之比为0.5，还原剂维生素C浓度为0.5g/L，糖精浓度为3g/L，温度为50℃，电流密度为1000A/m2，镀覆单位时间为24min/m2，镀覆的合金质量为400g/m2；再将经过合金电镀后的半成品浸入瓦特电镀镍溶液中，采用常规瓦特电镀镍的工艺，在合金基层再电镀覆镍，上镍量为10g/m2；最后在氢气还原气氛中，对经过上述工艺得到的半成品热处理，热处理温度为1000℃，去除海绵基材，得成品泡沫铁镍复合金属材料。
实施例2
本实施例产品呈三维网状结构，镀覆金属量为440g/m2，产品中镍的质量百分比为12％，余量为铁；产品的孔隙率≥85％。
制备：首先采用常规真空镀镍工艺对纤维网基材导电化，再将导电化后的基材在整体电镀槽中一步电镀铁镍合金，电镀液中Ni2+和Fe2+的总浓度为60g/L，Ni2+浓度与Fe2+浓度之比为2.0，络合剂柠檬酸浓度为18g/L，糖精浓度为3g/L，温度为50℃，电流密度为500A/m2，镀覆单位时间为48min/m2，镀覆的合金质量为400g/m2；再将经过合金电镀后的半成品浸入瓦特电镀镍溶液中，采用常规瓦特电镀镍的工艺，在合金基层再电镀覆镍，上镍量为40g/m2；最后在氢气还原气氛中，对经过上述工艺得到的半成品热处理，热处理温度为900℃，去除纤维网基材，得成品泡沫铁镍复合金属材料。
实施例3
本实施例产品呈二维网状结构，镀覆金属量为310g/m2，产品中镍的质量百分比为29％，余量为铁；产品孔隙率≥80％。
制备：首先采用常规涂覆导电粒子工艺对无纺布基材导电化，再将导电化后的基材在整体电镀槽中一步电镀铁镍合金，采用NiSO4-FeCl2合金电镀体系，电镀液中Ni2+和Fe2+的总浓度在85g/L，Ni2+浓度与Fe2+浓度之比在3.0，络合剂酒石酸钾钠浓度为15g/L，糖精浓度为3g/L，温度为50℃，电流密度为500A/m2，镀覆单位时间为35min/m2，镀覆的合金质量为300g/m2；再将经过合金电镀后的半成品浸入化学镀镍溶液中，采用化学镀镍的工艺，在合金基层再镀覆镍，上镍量为10g/m2；最后在氢气还原气氛中，对经过上述工艺得到的半成品热处理，热处理温度为950℃，以去除无纺布基材，得到最后的泡沫铁镍复合金属材料。
实施例4
本实施例产品呈三维网状结构，镀覆金属量为270g/m2，产品中镍的质量百分比为21％，余量为铁；产品的孔隙率≥80％。
制备：首先采用常规真空镀镍工艺对棉布基材导电化，再将导电化后的基材在整体电镀槽中一步电镀铁镍合金，采用NiSO4-FeCl2合金电镀体系，电镀液中Ni2+和Fe2+的总浓度在55g/L，Ni2+浓度与Fe2+浓度之比在1.5，糖精浓度为0.5g/L，温度为50℃，电流密度为1500A/m2，镀覆单位时间为8min/m2，镀覆的合金质量为250g/m2；再将经过合金电镀后的半成品浸入瓦特电镀镍溶液中，采用常规瓦特电镀镍的工艺，在合金基层再电镀覆镍，上镍量为20g/m2；最后在氢气还原气氛中，对经过上述工艺得到的半成品热处理，热处理温度为920℃，以去除棉布基材，得到最后的泡沫铁镍复合金属材料。
Claims (4)
1. 一种泡沫铁镍复合金属材料，其特征在于：结构呈三维或二维网状，由金属铁和镍的合金构成基层，在合金基层之上是作为防护层的金属镍层，金属镍占复合金属材料总质量的5％~29％，余量为铁。
2. 如权利要求1所述的泡沫铁镍复合金属材料的制备方法，包括非金属基材的导电化-电镀铁镍合金-形成镍防护层-热处理四个步骤，其特征在于：采用一步电镀同时沉积金属镍和铁以形成铁镍合金基层，电镀溶液采用NiSO4-FeCl2合金电镀体系，电镀液中Ni2+和Fe2+的总浓度为45g/L~80g/L，Ni2+质量浓度与Fe2+质量浓度之比为0.5～3.0，糖精的浓度为3~6g/L，温度为40℃～60℃，控制电流密度在8A/dm2～15A/dm2。
3. 如权利要求2所述的泡沫铁镍复合金属材料的制备方法，其特征在于：所述非金属基材选自以下所述有机多孔基材中的一种：聚氨酯海绵、无纺布、棉布、纤维布、化纤织物或纤维网。
4. 如权利要求2所述的泡沫铁镍复合金属材料的制备方法，其特征在于：所述形成镍防护层步骤的工艺采用电镀镍、化学镀镍或物理气相沉积镍中的一种或多种工艺。
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