CN103147100A

CN103147100A - 一种混杂多孔金属材料的制备方法

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Publication number: CN103147100A
Application number: CN2013101126089A
Authority: CN
Inventors: 张洪涛
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: CN103147100B

Abstract

一种混杂多孔金属材料的制备方法，包括以下步骤：（1）多孔基体材料的导电化处理；（2）将导电基材作为阴极，以可电镀金属作为阳极进行电镀；先进行预电镀，再进行混合镀，混合镀时在镀液中加入可以在300-500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料；当多孔金属的孔隙率达到85-95%时，取下混杂多孔金属；（3）将所得混杂多孔金属在空气中焚烧10-30分钟，所加入的颗粒或纤维状材料与多孔基体材料一同烧掉，然后将混杂多孔金属在300-900℃下在还原性气体中还原处理20-30分钟，得到混杂多孔金属材料。本发明工艺简单，能耗低，成本低，可用作热管、均温板的吸液芯材料，超级电容、电池电极材料以及催化剂载体材料。

Description

一种混杂多孔金属材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔材料的制备方法，尤其是涉及一种混杂多孔金属材料的制备方法。

背景技术

随着电子技术、绿色能源、节能环保技术的不断发展，高性能的芯片、高功率的发光二极管，高效换热、散热器件等不断涌现。以计算机中央处理器CPU为例，其运算速度越来越快，而性能提高是通过芯片高度集成来实现的，这使得芯片的发热密度越来越高。2000年的时候，芯片的发热密度只有10-15W/cm²，到目前已经增加到100W/cm²，因此发展先进散热技术是提高芯片集成度、稳定性的保障。鉴于上述情况，科技工作者纷纷投入精力进行热管（heat pipe）及均温板（vapor chamber）的开发，尤其以均温板为核心的散热器件不断涌现出来。通过均温板，可以大大提高芯片温度的均匀性。均温板腔体内上下表面附有吸液芯结构，其具有举足轻重的地位，目前多采用粉末铜烧结多孔结构、铜质丝网以及沟槽结构实现均温板内毛细作用。其中沟槽结构成本较低，但是在其工作时，对散热器的方向特别敏感，一般沟槽只能平行于重力场方向，且热源在下方；单层丝网结构往往很难满足要求，一般采用多层不同孔径丝网结构联合使用，给生产制造带来很大不便，且工艺十分复杂，效果和成本适中；烧结铜粉效果最好，但工艺复杂、成品率低、成本高，因此散热器价格比较昂贵，同时由于粉末烧结的毛细结构孔隙率相对较低，相变介质在其中流动的阻力大，单位体积内相变介质填充量小，传热能力有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、成本低的混杂多孔金属材料的制备方法。

本发明的混杂多孔金属材料，用作多孔结构的吸液芯材料、催化剂载体材料、电池或超级电容电极材料。通过特殊工艺，增加材料表面积以便于液体润湿、活性物质附着，提高电池使用寿命；作为催化剂载体材料，提高有效工作面积。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种混杂多孔金属材料的制备方法，以可氧化烧蚀的多孔材料作为基体经导电化处理，采用预电镀及混合电镀工艺并经氧化还原反应，使金属材料沉积在多孔基体材料的筋条表面，获得多尺度混杂孔隙结构金属。具体可通过下述方案实现：

（1）采用多孔基体材料作为前躯体，进行多孔基体材料的导电化处理〔现有技术，如化学镀、离子镀、化学沉积（CVD）、物理沉积（PVD）、涂覆导电胶〕，即得到导电基材；

（2）将步骤（1）所得导电基材作为阴极，以可电镀金属（优选铜、镍、铁）作为阳极进行电镀；电镀时，先进行预电镀，电镀液根据所制备材料不同，选择不同的镀液体系（现有技术），（如果电镀金属是铜、镍、铁时，分别选择磷酸铜体系、硫酸镍体系或硫酸亚铁体系），电源为单向脉冲电源，脉冲占空比10-60%（优选40－50％），电流密度为10-30安/平方米，当预电镀后的基体材料强度为0.02MPa-2MPa（优选0.2－0.5MPa）,再进行混合镀，混合镀时占空比调至30-60%，电流密度调至200-500安/平方米，并且在镀液中按每立方米镀液加300－2000g的比例加入粒径为10-50微米的可以在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料（优选有机物粉末、有机物纤维、碳粉或碳纤维）（更优选每立方米镀液中加入炭粉1200－1500g），并搅拌，使颗粒或纤维状材料均匀分布在镀液中；获得夹杂可以在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料的复合电镀层，当作为阴极的多孔金属的孔隙率达到85-95%时，取下载有可在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料及多孔基体材料的混杂多孔金属；

（3）将步骤（2）所得载有可在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料及多孔基体材料的混杂多孔金属在空气中焚烧10-30分钟，所加入的可以在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料与多孔基体材料一同烧掉，然后将混杂多孔金属在300-900℃下在还原性气体中（优选氢气与氮气的混合气或氢气与氩气的混合气等）还原处理20-30分钟，得到混杂多孔金属材料。

所述多孔基体材料为能在300－500℃氧化条件下烧蚀掉的或能用溶剂溶解掉而不影响镀层金属的材料；

进一步，所述多孔基体材料优选聚氨酯泡沫、酚醛泡沫或聚烯烃泡沫等，更优选厚度为0.5-5mm，孔率为80-110PPI的材料。

本发明以可氧化烧蚀的材料为基体，通过导电化处理使多孔基体材料变成导电体，然后经电镀镀铜、镍、铁等，使金属沉积在多孔材料的筋条上；沉积足够的厚度后，进行混合镀，在混合镀过程中将有机物粉末、纤维、碳粉等可以在高温分解或烧蚀的材料加入镀液并搅拌均匀，由于电镀液的流动及静电吸附作用使有机物粉末、纤维、碳粉等夹杂在镀层中间，然后经过氧化焚烧，将有机粉末、碳粉等与可烧蚀掉的多孔基体一同烧掉，得到多孔金属。

本发明工艺简单，能耗低，成本低，制得的多孔材料孔径可调。该材料孔隙有大孔和微孔，作为吸液芯时，大孔部分有利于相变介质在其中储存、传递，流阻较小，同时有利于蒸汽在其中输运，微孔部分，水力半径较小，具有很强的毛细作用，在大孔失去作用时，仍可以继续克服重力作用吸附介质向更远、更高的地方输送，较传统吸液芯材料（如粉末烧结、金属丝网等）具有更大的蒸发面积，可提高热管、均温板、翅片管、沸腾管等内表面毛细作用，降低流阻，增强传热效率。作为电极材料，可以增强活性物质与基体的结合力，提高电池的寿命，由于比表面积较大，还可以进一步提高电池的比容量；作为催化剂载体材料，可以增大比表面积，增加催化剂的装载量。

附图说明

图1是本发明实施例1之混杂多孔金属材料电子显微结构图（放大倍数50）；

图2是本发明实施例1之混杂多孔金属材料电子显微结构图（放大倍数2000）。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例之混杂多孔金属材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用厚度为2mm，孔率为110PPI的聚氨酯泡沫作为前躯体，采用碱性化学镀体系化学镀铜进行导电化处理，即得到导电基材；

（2）将步骤（1）所得聚氨酯泡沫导电基材作为阴极，以铜为阳极进行电镀；电镀时，先经过预电镀，电镀液为焦磷酸铜体系，电源为单向脉冲电源，脉冲占空比30%，电流密度为20安/平方米，当预电镀后的聚氨酯泡沫强度达到0.5Mpa时，再进行混合镀，此时占空比调至40%，电流密度为200安/平方米；混合镀时，在每立方米镀液中加入粒径为10-50微米的碳粉1200g，并搅拌，使碳粉均匀分布在镀液中；当作为阴极的多孔金属的孔隙率达到90%时，取下载有碳粉及聚氨酯泡沫多孔基体材料的混杂多孔金属；

（3）将步骤（2）所得载有碳粉及聚氨酯泡沫多孔基体材料的混杂多孔金属在空气中焚烧30分钟，碳粉与聚氨酯泡沫多孔基体一同烧掉，然后将混杂多孔金属在900℃分解氨气（氮气与氢气的体积比为1︰3）中进行还原处理30分钟，得到混杂多孔泡沫铜材料。

本实施例所得混杂多孔泡沫铜材料的电子显微结构图如图1和图2所示。

由图可知，混杂多孔泡沫铜材料表面布满了10微米到50微米不等的微孔，结合多孔基体的宏观200-300微米孔隙结构，形成了多尺度混杂的孔隙结构。

实施例2

本实施例之混杂多孔金属材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用厚度为5mm，孔率为110PPI的聚氨酯泡沫作为前躯体，采用碱性化学镀体系化学镀镍进行导电化处理，即得到导电基材；

（2）将步骤（1）所得导电基材聚氨酯泡沫作为阴极，以镍为阳极进行电镀；电镀时，先经过预电镀，电镀液为硫酸镍体系，电源为单向脉冲电源，脉冲占空比30%，电流密度为30安/平方米，当预镀后的聚氨酯泡沫强度达到0.2MPa后，再进行混合镀，此时占空比调至50%，电流密度为200安/平方米，混合镀时，在每立方米镀液中加入粒径为10-50微米的碳粉1500g，并搅拌，使碳粉均匀分布在镀液中；当作为阴极的多孔金属的孔隙率达到95%时，取下载有碳粉及聚氨酯泡沫多孔基体材料的混杂多孔金属；

（3）将步骤（2）所得载有碳粉及聚氨酯泡沫多孔基体材料的混杂多孔金属在空气中焚烧20分钟，碳粉与聚氨酯泡沫多孔基体一同烧掉，然后将混杂多孔金属在900℃下还原气氛（氮气与氢气的体积比为1︰1）中进行还原处理30分钟，得混杂多孔泡沫镍材料。

Claims

1. 一种混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用多孔基体材料作为前躯体，进行多孔基体材料的导电化处理，即得到导电基材；

（2）将步骤（1）所得导电基材作为阴极，以可电镀金属作为阳极进行电镀；电镀时，先进行预电镀，电镀液根据所制备材料不同，选择不同的镀液体系，电源为单向脉冲电源，脉冲占空比10-60%，电流密度为10-30安/平方米，当预电镀后的基体材料强度为0.02MPa-2MPa,再进行混合镀，混合镀时占空比调至30-60%，电流密度调至200-500安/平方米，并且在镀液中按每立方米镀液加300－2000g的比例加入粒径为10-50微米的可以在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料，并搅拌，使颗粒或纤维状材料均匀分布在镀液中；当作为阴极的多孔金属的孔隙率达到85-95%时，取下载有可在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料及多孔基体材料的混杂多孔金属；

（3）将步骤（2）所得载有可在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料及多孔基体材料的混杂多孔金属在空气中焚烧10-30分钟，所加入的可以在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料与多孔基体材料一同烧掉，然后将混杂多孔金属在300-900℃下在还原性气体中还原处理20-30分钟，得到混杂多孔金属材料；

所述多孔基体材料为能在300－500℃氧化条件下烧蚀掉的或能用溶剂溶解掉而不影响镀层金属的材料。

2.根据权利要求1所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述可电镀金属为铜、镍、铁。

3.根据权利要求1或2所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，电镀金属是铜、镍、铁时，分别选择磷酸铜体系、硫酸镍体系、硫酸亚铁体系作为电镀液。

4.根据权利要求1或2所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，预电镀时的脉冲占空比为40－50％。

5.根据权利要求1或2所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，预电镀后，基体材料强度达0.2－0.5MPa时，进行混合镀。

6.根据权利要求1或2所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，混合镀时，镀液中所加的粒径为10-50微米的可以在300－500℃分解或烧蚀的颗粒或纤维状材料为有机物粉末、有机物纤维、碳粉或碳纤维。

7.根据权利要求6所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，混合镀时，每立方米镀液中加入炭粉1200－1500g。

8.根据权利要求1或2所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述还原性气体为氢气与氮气的混合气或氢气与氩气的混合气。

9.根据权利要求1或2所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述多孔基体材料为聚氨酯泡沫、酚醛泡沫或聚烯烃泡沫。

10.根据权利要求1或2所述的混杂多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述多孔基体材料厚度为0.5-5mm，孔率为80-110PPI。