CN1487122A

CN1487122A - 一种泡沫铝的制备方法

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Publication number: CN1487122A
Application number: CNA031338534A
Authority: CN
Inventors: 孙伟成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2004-04-07

Abstract

一种泡沫铝的制备方法，操作步骤如下：选用泡沫材料作为基底材料，经脱脂、去油、去除应力的预处理后，再将经导电化处理后的基底材料作为阴极放入无水有机烷基铝电解液的电镀槽中，以工业纯铝板作为阳极，用脉冲电镀法电沉积铝，电解液温度控制在50～95℃；电沉积时间1～2小时，采用输出电流波形为方波、三角波或正弦波的脉冲直流电镀电源，输出峰值电流为10～200A；通断比为1∶1～100；脉冲频率为15～2000Hz。它从根本上解决了泡沫铝的结构稳定性问题，与现现有技术相比，孔结构稳定、容易控制，确保生产出孔径细小、均匀、孔隙率高的通孔泡沫铝，显著提高产品质量，明显降低废品率和成本。该泡沫铝可做进一步热处理，以提高材料的强度和韧性。

Description

一种泡沫铝的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生产泡沫铝的工艺，特别是一种孔径细小、均匀、孔隙率高的通孔泡沫铝的制备方法。

背景技术

目前，泡沫铝是多孔泡沫金属中较常见、应用前景较好的一种材料，它是一种利用金属表面的物理特性产生特殊作用的结构功能材料。由于它具有特殊的结构，所以，其应用领域涉及材料结构和物理学的若干重要领域。结构方面的应用，主要在汽车、航天、建筑等多种工业中；功能应用包括：阻尼内耗、声学、热物理、多孔介质中流动、电磁学等。

多孔泡沫金属材料已有五十多年的历史，其最初采用发泡法制备，由于发泡法工艺控制很困难，所以限制了多孔泡沫金属材料的发展。随着人们逐渐认识到这是一种十分重要的高科技新材料，有着十分广泛的应用前景，因此多孔泡沫金属材料成为世界各国争先开发的材料。日本、美国、西欧连年投入大量资金研究该项目，并在制备方法上，在制备过程的重要参数的模拟选择方面取得了某些重要进展。在一些专利文献上公开了许多这方面的技术内容，使多孔泡沫金属材料在近十几年内有了长足的进展。新的制备方法的不断涌现、控制技术日趋完善。现有的多孔泡沫金属材料制备方法主要分为以下三大类：

一、发泡法制备工艺(液态、固态)；二、渗流铸造法制备工艺；三、电沉积工艺。

第一类：液态金属发泡法制备工艺是把铝或铝合金熔化后，在一定温度下保温，搅拌，加增粘剂，再加发泡剂，或者在坩埚中凝固，或者浇注到一模型中凝固，即可得到泡沫铝；固态发泡法又可称为粉末冶金法。把纯铝粉或铝合金粉末同一定比例的发泡剂均匀混合在一起，压实成坯料，放在可控气氛炉中按一定工艺烧结，就可生产出泡沫铝。从上述生产工艺就可知道，用这种方法生产的泡沫铝的孔径大小，均匀程度以及孔隙率，均有很大的不确定性。因此，废品率较高。

第二类：渗流铸造法制备泡沫铝的工艺是用一定尺寸的固体颗粒(如溶盐、玻璃、陶瓷等)堆积在一起，然后，把熔融的铝液浇注到固体颗粒的缝隙中，冷凝后再把固体颗粒除掉，就得到了泡沫铝。这种方法生产的泡沫铝孔径的均匀性可以做到，但孔隙率不会很高。

上述两类工艺是目前生产泡沫铝的主要方法。这两类工艺生产的泡沫铝的结构特征为：孔径比较大，为φ0.3～8mm，且不均匀，空隙率为60～90％，比表面积为10～45cm²/cm³。实际生产中，因其结构稳定性控制较困难，故产成的泡沫铝废品率较高。由于泡沫铝的性能主要取决于它的结构，所以用前两类方法生产的泡沫铝受结构的限制，其各种性能已很难再提高。如何控制泡沫铝的孔结构，使它更稳定、更细小、更均匀，更好地降低废品率，一直是各生产厂商追求的目标。

第三类：电沉积工艺是生产泡沫镍的主要工艺方法。因采用电沉积法生产泡沫铝的困难比较大，铝的电极电位比氢还负，故采用铝盐水溶液电镀时，阴极只能析出氢气，而不会有铝的沉积。因此，只能采用不含游离氢离子的非水电镀液或熔融盐液进行电沉积铝。可以用这种方法在钢质零件表面电沉积铝，以提高其耐蚀性。电沉积法生产泡沫金属，在一些国外专利中曾报导过，如EP-B1-0151064、US5503941专利中提到生产泡沫镍；DE10123585专利中涉及到生产可膨胀金属和泡沫金属，但均为铜、镍、钴、铁等金属，不包括铝；EP921210专利中涉及到用覆盖和烧结的方法生产多孔镍—铝合金复合材料，其中，镍层是采用电沉积方法，而铝层则是采用有机化合物热分解法沉积的。关于使用有机电镀液电镀铝，在已出版的各种版本的电镀手册中均有介绍。其中包括将三氯化铝和氢化铝锂溶于醚类溶剂中配置而成的以氢化物为基的电镀铝液；以溴化铝为基溶于苯类溶剂配置而成的电镀铝液和以烷基铝为基的电镀液。这三种镀液均可以在工件上，如：螺钉、螺帽等，镀上一层晶粒细小、平滑、银白色的铝镀层。但都未涉及到制备泡沫铝。烷基铝为基的电镀液同前两种镀液相比具有不宜燃烧；溶液中没有氢离子，所以无氢脆危险；由于只有铝可溶于镀液，所以镀层纯度可高达99.99％。因镀铝层纯度很高，故其抗腐蚀，塑性好，镀层也致密，烷基铝的价格也比氢化物和溴化物便宜。但是，因为电镀本身的尖角效应，以及烷基铝镀液中铝离子的扩散速度较慢，在有孔或有凹坑的工件上均匀的镀上一层铝是不可能的，所以，一般情况下用烷基铝镀液电沉积泡沫铝是不可行的。现有的电沉积法只能用来生产镍、铁、铜、钴、铬等金属。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫铝的制备方法，它从根本上解决了泡沫铝的结构稳定性问题，与现生产泡沫铝的方法—发泡法或渗流铸造法相比，孔结构稳定、容易控制，确保生产出孔径细小、均匀、孔隙率高的通孔泡沫铝，显著提高产品质量，明显降低废品率和成本。

本发明的目的是这样实现的：该制备方法的操作步骤如下：

选用泡沫材料作为基底材料，经脱脂、去油、去除应力的预处理后，再经离子化处理，放在化学镀铜液或镀镍液中化学镀上一层铜导电表面层或镍导电表面层，或将基底材料进行预处理后，用涂覆导电胶的方法预以处理，通过上述导电化处理后的基底材料作为阴极放入无水有机烷基铝电解液的电镀槽中，以工业纯铝板作为阳极，用脉冲电镀法电沉积铝，电解液温度控制在50～95℃；电沉积时间1～2小时，采用输出电流波形为方波、三角波或正弦波的脉冲直流电镀电源，输出峰值电流为10～200A；通断比为1∶1～100；脉冲频率为15～2000HZ。

上述电镀槽中的无水有机烷基铝电解液中所用原料的重量比分别为：有机铝盐三乙基铝∶稳定剂氟化物∶苯类溶剂＝150-300∶20-60∶220-420。

上述电镀槽中的无水有机烷基铝电解液中所用原料的重量比分别为：有机铝盐三乙基铝∶稳定剂氟化物∶稳定剂4、4’二氨基-3、3’二甲基氧基二苯甲烷∶苯类溶剂＝150-300∶20-60∶0.1-5∶220-420。

电镀槽中的流体利用脉冲电流被动流过泡沫材料开口处或强制流过泡沫材料的开口处，以利于铝在基底材料上的均匀沉积或定向沉积。

在电解液中使泡沫材料开口处的液体流动，至少在电镀过程中的一段时间内使之流动；在金属沉积过程中应用脉冲电流，周期(包括脉冲电流周期T，和无电流周期或反向脉动电流周期T’)T与T’可以相互独立在0到9,000兆秒之间调节。

在泡沫材料开口处，使电解液槽中的流体被动流动，或者在金属沉积过程中应用脉冲电流，可以使铝离子的扩散速度增大，获得明显的择优生长方向，这实现起来可重复性很强。

在电解液流动的情况下，择优生长通常沿着平行于泡沫材料开口处电解液流动的方向。

使用脉冲电流，通过调节脉冲电流和无电流或者反向脉动电流周期，可以在很宽限度内改变择优生长方向。电解槽金属沉淀的绕射能力很大程度上也取决于电流调节器的使用；这种方法叫做脉冲电镀。通过选择合适的调节器，生长率R，能在R＝1(各向同性)和极度择优R＞＞1到无穷的范围内被影响。

择优生长程度通常以所谓的生长率R来表示，R等于平行于阴阳极之间的连线方向和镀液流动方向的垂直分量上的总的生长率。最终结果是在泡沫塑料的骨架上均匀的沉积上一定厚度的金属铝；或在泡沫塑料的骨架上沉积上厚度极不均匀的金属铝。

为了得到一定厚度的镀层，可以使电解液受迫流动通过泡沫材料(这些泡沫材料具有导电表面层)的空隙。为了在生长过程中得到几种有利的生长方向，在金属沉积处理时，电解液的流动方向可以向有利的方向调节。例如，这种变化可以在一定时间内使生长方向反向；但是，在整个生长期间内选择大量的不同扩散方向也是可能的，结果在电解液中的泡沫塑料上面，均匀的沉积上金属铝或在某需要的方向上沉积较厚的金属铝。

基底材料进行导电化处理后，导电表面层的厚度为0.1～5μm，电镀后得到的电镀铝层厚度为10～50μm。

上述基底材料用的泡沫材料，可为有机泡沫材料，如聚亚胺酯、聚脂、聚苯乙烯、多酚、聚乙烯、聚丙乙烯。

基底材料也可以采用进行导电化处理后得到导电表面层的有机纤维集成体，或具有导电性能的有机纤维或者金属纤维，或导电的泡沫陶瓷材料和表面有导电金属层或陶瓷层的不导电陶瓷泡沫材料。

对基底材料进行导电化处理，也可以利用阴极溅射或者金属羰基化合物的气化分解沉积制备导电表面层。

在电沉积过程中利用机械搅拌方法使电解液强制流动和(或)通过电流调节器控制铝离子移动方向。

该制备方法在电沉积步骤后还可以增加热处理工序，目的是除去里面的有机泡沫材料，比如通过高温分解的方法。

除去里面的有机泡沫材料也可以用合适的溶解方法，代替高温分解法。

热处理条件也能够选择，用来烧结沉积金属铝，这样泡沫结构被烧结增强。

由于本发明采用经预处理的泡沫材料作为基底材料，先在其上进行导电化处理，然后放入无水有机无水有机烷基铝电解液中，以脉冲直流电源的电沉积工艺电沉积铝，所以成功地制取了孔径细小、孔隙率高、结构均匀的通孔泡沫铝。

采用电沉积工艺方法生产的泡沫金属的孔结构主要取决于所选择的基底材料。所选用的基底材料的结构决定了泡沫金属的结构，它从根本上解决了泡沫金属的结构稳定性问题。结构稳定了，性能的稳定性问题就迎刃而解了。通过实际检测证明：本发明制备出的泡沫铝的主要结构特性是：孔隙2.5～30个/cm、孔径0.1～3.2mm表面积500～7500m²/m³、厚度2～20mm、密度0.10～0.34g/cm²。它从根本上解决了泡沫铝的结构稳定性问题，与现生产泡沫铝的方法一发泡法或渗流铸造法相比，孔结构稳定、容易控制，确保生产出孔径细小、均匀、孔隙率高的通孔泡沫铝，显著提高产品质量，明显降低废品率和成本。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明选用聚亚安酯泡沫作为基底材料生产的泡沫铝的扫描电镜照片。

图2是本发明选用聚乙烯泡沫作为基底材料生产的泡沫铝的扫描电镜照片。

具体实施方式

根据图1-2和实施方式详细说明本发明的具体结构和工作过程。

实施方式一：

选用聚亚安酯泡沫作为基底材料，平均孔径为0.60mm，孔隙率90％。经脱脂、去油、去除应力后，再经离子化处理，放在化学镀铜液中化学镀上一层铜导电表面层。导电表面层厚度是3～5μm，通过这种方法导电化处理后的聚亚安酯泡沫材料作为阴极放入无水有机烷基铝电解液的电镀槽中，工业纯铝板作为阳极，用脉冲电镀法电沉积铝。无水有机烷基铝电解液的电镀槽中含有150份三乙基铝，20份NaF，220份甲苯；镀液温度控制在80～90℃；电沉积时间1小时。

电镀槽可以是传统的瓦特电镀槽。电镀电源为脉冲直流电源。电流波形是方波，正向峰值电流为140A，最小电流为0，无负电流。通断比为1∶16。

电镀槽中的流体没有受强迫流动。

电镀后得到的电镀铝层厚度为20μm左右。其形貌见图1。

泡沫铝被电镀完后，里面的合成泡沫核心能通过高温分解去除。

把沉积的泡沫铝在惰性气氛下升高温度(300～350℃)，或通过烧结处理(400～500℃)，去除合成泡沫核心，材料的强度和韧性也能大大提高。

实施方式二

选用聚乙烯泡沫塑料为基底材料，平均孔径为0.85mm，孔隙率92％。经脱脂、去油、去除应力后，再经离子化处理，放在化学镀镍液中化学镀上一层镍导电表面层。导电表面层厚度是0.1～3μm微米。通过这种方法导电化处理后的聚乙烯泡沫材料作为阴极放入无水有机烷基铝电解液的电镀槽中，工业纯铝板作为阳极，用脉冲电镀法电沉积铝。无水有机烷基铝电解液的电镀槽中含有225份三乙基铝，50份KF，甲苯和乙苯各160份，4、4`二氨基-3、3`二甲基氧基二苯甲烷5份；镀液温度控制在60～80℃；电沉积时间1小时。

电镀槽可以是传统的瓦特电镀槽。电镀电源为脉冲直流电源。电流波形为半波正弦波，正向峰值电流为80A，最小电流为0，无负电流。通断比为1∶1。

电镀槽中的流体经搅拌强迫流动。搅拌器的转数30转/分钟。

电镀后得到的电镀铝层厚度为15μm左右。其形貌见图2。

实施例三

选用聚丙乙烯泡沫塑料为基底材料，平均孔径为3.40mm，孔隙率为96％。用涂覆导电胶方法预处理。通过这种导电化处理后的聚丙乙烯泡沫材料作为阴极放入无水有机烷基铝电解液的电镀槽中，工业纯铝板作为阳极，用脉冲电镀法电沉积铝。无水有机烷基铝电解液的电镀槽中含有300份三乙基铝，40份NaF，20份CaF，4、4`二氨基-3、3`二甲基氧基二苯甲烷3份，420份乙苯；镀液温度控制在50～80℃；电沉积时间2小时。

电镀槽用传统的瓦特电镀槽。电镀电源为脉冲直流电源。电流波形是三角波，正向峰值电流为200A，最小电流为0，通断比为1∶100。

电镀槽中的流体没有受强迫流动。

电镀后得到的电镀铝层厚度为15～50μm。

Claims

1、一种泡沫铝的制备方法，其特征在于采用如下操作步骤：选用泡沫材料作为基底材料，经脱脂、去油、去除应力的预处理后，再经离子化处理，放在化学镀铜液或镀镍液中化学镀上一层铜导电表面层或镍导电表面层，或将基底材料进行预处理后，用涂覆导电胶的方法预以处理，通过上述导电化处理后的基底材料作为阴极放入无水有机烷基铝电解液的电镀槽中，以工业纯铝板作为阳极，用脉冲电镀法电沉积铝，电解液温度控制在50～95℃；电沉积时间1～2小时，采用输出电流波形为方波、三角波或正弦波的脉冲直流电镀电源，输出峰值电流为10～200A；通断比为1∶1～100；脉冲频率为15～2000HZ。

2、根据权利要求1所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：电镀槽中的无水有机烷基铝电解液中所用原料的重量比分别为：有机铝盐三乙基铝∶稳定剂氟化物∶苯类溶剂＝150-300∶20-60∶220-420。

3、根据权利要求1所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：电镀槽中的无水有机烷基铝电解液中所用原料的重量比分别为：有机铝盐三乙基铝∶稳定剂氟化物∶稳定剂4、4’二氨基-3、3’二甲基氧基二苯甲烷∶苯类溶剂＝150-300∶20-60∶0.1-5∶220-420。

4、根据权利要求1所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：电镀槽中的流体利用脉冲电流被动流过泡沫材料开口处或强迫通过泡沫材料的开口处。

5、根据权利要求1所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：基底材料进行导电化处理后，导电表面层的厚度为0.1～5μm，电镀后得到的电镀铝层厚度为10～50μm。

6、根据权利要求1所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：基底材料用的泡沫材料为有机泡沫材料，如聚亚胺酯、聚脂、聚苯乙烯、多酚、聚乙烯、聚丙乙烯。

7、根据权利要求1所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：基底材料采用进行导电化处理后得到导电表面层的有机纤维集成体，或具有导电性能的有机纤维或者金属纤维，或导电的泡沫陶瓷材料和表面有导电金属层或陶瓷层的不导电陶瓷泡沫材料。

8、根据权利要求1所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：对基底材料进行导电化处理，利用阴极溅射或者金属羰基化合物的气化分解沉积制备导电表面层。

9、根据权利要求1所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：在电沉积过程中利用机械搅拌方法使电解液强制流动和(或)通过电流调节器控制铝离子移动方向。

10、根据权利要求1或2或3所述的泡沫铝的制备方法，其特征在于：所用稳定剂氟化物为NaF或KF或CaF₂或其结合；所用苯类溶剂为甲苯或乙苯或其结合。