JP2005334828A - Hydrogen-permeable membrane and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フレキシビリティが高く、加工の容易な水素透過膜及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen permeable membrane having high flexibility and easy processing, and a method for manufacturing the same.
水素透過膜としては、従来、主としてパラジウムが検討されてきた。しかしパラジウムは、水素透過のために300℃以上に加熱する必要があり、またパラジウムそのものが高価であることから、工業的な水素精製に利用できるものではない。そこで、パラジウムを薄膜化してその使用量を抑え、強度の低下を多孔質支持体で補うことが提案されている(例えば特許文献1及び2参照)。しかし、それらの提案においては、多孔質支持体として、剛体である金属粉の焼結体やエッチングで孔をあけたステンレス鋼製多孔質体、或いはセラミックス多孔質体が用いられている。従って、フレキシビリティが低く、加工性が劣ってしまう。 Conventionally, palladium has been mainly studied as a hydrogen permeable membrane. However, palladium needs to be heated to 300 ° C. or higher for hydrogen permeation, and since palladium itself is expensive, it cannot be used for industrial hydrogen purification. Accordingly, it has been proposed to reduce the amount of palladium used to reduce the amount of palladium used, and to compensate for the decrease in strength with a porous support (see, for example, Patent Documents 1 and 2). However, in these proposals, a sintered body of a metal powder that is a rigid body, a stainless steel porous body that is perforated by etching, or a ceramic porous body is used as the porous support. Therefore, flexibility is low and processability is inferior.
水素吸蔵合金として知られるLaNi5などの金属間化合物を水素透過膜として利用することも提案されている。しかし、この材料は脆いものであり、クラックが生じやすいので、水素透過膜として利用することは困難である。この材料の強度を高めるための一手段としてアモルファス化することが考えられる。しかし、強度を高めるためにアモルファス膜の膜厚を大きくすると、その時に生じる熱でアモルファスが結晶化してしまい、結局強度を高めることができない。特に、セラミックス多孔質上に水素吸蔵合金のアモルファス膜をスパッタリングで形成しようとすると、セラミックスの有する低熱伝導性に起因して、スパッタリングで発生した熱が逃げずに、アモルファスの結晶化が促進されやすい。 It has also been proposed to use an intermetallic compound such as LaNi 5 known as a hydrogen storage alloy as a hydrogen permeable membrane. However, since this material is brittle and easily cracks, it is difficult to use it as a hydrogen permeable membrane. It is conceivable to make the material amorphous as one means for increasing the strength of the material. However, if the film thickness of the amorphous film is increased in order to increase the strength, the amorphous is crystallized by the heat generated at that time, and consequently the strength cannot be increased. In particular, when an amorphous film of a hydrogen storage alloy is formed on a ceramic porous film by sputtering, the heat generated by sputtering does not escape due to the low thermal conductivity of the ceramic, and amorphous crystallization is likely to be promoted. .
従って本発明の目的は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得る水素透過膜及びその製造方法を提供することにある。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a hydrogen permeable membrane and a method for manufacturing the same that can eliminate the various disadvantages of the above-described prior art.
本発明は、水素透過性金属膜の少なくとも一面に多孔質金属薄膜が配されてなることを特徴とする水素透過膜を提供することにより前記目的を達成したものである。 The present invention achieves the above object by providing a hydrogen permeable membrane characterized in that a porous metal thin film is disposed on at least one surface of the hydrogen permeable metal membrane.
また本発明は、前記水素透過膜の好ましい製造方法として、キャリア箔上に電解めっきによって前記多孔質金属薄膜を形成し、次いで該多孔質金属薄膜上に、薄膜形成手段によって前記水素透過性金属膜を形成し、然る後、前記キャリア箔を剥離分離することを特徴とする水素透過膜の製造方法を提供するものである。 According to the present invention, as a preferred method for producing the hydrogen permeable film, the porous metal thin film is formed on a carrier foil by electrolytic plating, and then the hydrogen permeable metal film is formed on the porous metal thin film by a thin film forming means. Then, after that, the carrier foil is peeled and separated, and a method for producing a hydrogen permeable membrane is provided.
本発明によれば、フレキシビリティが高く、加工の容易な水素透過膜が得られる。また本発明によれば、パラジウム等の高価な材料からなる水素透過性金属膜を薄くしてその使用量を低減させても、多孔質金属薄膜によって十分な強度が維持される。 According to the present invention, a hydrogen permeable membrane having high flexibility and easy processing can be obtained. Further, according to the present invention, even if the hydrogen-permeable metal film made of an expensive material such as palladium is thinned to reduce the amount of use, sufficient strength is maintained by the porous metal thin film.
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図1には、本発明の水素透過膜の好ましい実施形態の構造が模式的に示されている。本実施形態の水素透過膜1は、水素透過性金属膜2の各面に多孔質金属薄膜3a,3bが配されて構成されている。
The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows the structure of a preferred embodiment of the hydrogen permeable membrane of the present invention. The hydrogen permeable membrane 1 of this embodiment is configured by arranging porous metal
水素透過性金属膜2としては、水素透過性を有する材料からなるものであればその種類に特に制限はない。例えばパラジウム又はその合金などを用いることができる。これらの材料からなる水素透過性金属膜2は、例えばスパッタリング、イオンプレーティング、電解めっきなどの各種薄膜形成手段によって形成することができる。
The hydrogen
水素透過性金属膜2としては、水素吸蔵合金として知られる材料を用いることもできる。例えばCaCu5型の結晶構造を有するAB5型合金、ZrV0.4Ni1.5に代表されるラーベス相構造を有するAB2型合金が挙げられる。またAB型合金やMg2Ni等のA2B型合金等も用いることができる。具体的には例えばLaNi5、MmNi5(Mmはミッシュメタルを表す)、及びMmNi5のNiの一部を、Al、Mn、Co、Ti、Cu、Zn、Zr、Cr、Bから選ばれ、少なくともAl、CoおよびMnを含む元素で置換した多元素系合金などが挙げられる。なかでも、一般式MmNiaMnbAlcCod(式中、Mmはミッシュメタルを表し、4.0≦a≦4.7、0.3≦b≦0.65、0.2≦c≦0.5、0<d≦0.35、5.2≦a+b+c+d≦5.5である)で表される低Co水素吸蔵合金が好ましく用いられる。
As the hydrogen
水素透過性金属膜2として水素吸蔵合金を用いる場合には、該水素吸蔵合金はアモルファスであることが好ましい。アモルファスの水素吸蔵合金は、結晶質の水素吸蔵合金に比較して、水素吸蔵時の体積変化が小さく耐久性が高いからである。アモルファスの水素吸蔵合金は、例えばスパッタリングによって形成することができる。
When a hydrogen storage alloy is used as the hydrogen
水素透過性金属膜2の厚みに特に制限はないが、膜としての機能が損なわれず且つ強度が許す限り薄くすることが経済性の点から好ましい。水素透過性金属膜2が例えばパラジウムやその合金等からなる場合には、該膜2は1〜10μm程度、特に1〜3μm程度の薄層であることが好ましい。一方、水素透過性金属膜が例えば水素吸蔵合金からなる場合には、膜の厚みは3〜50μm、特に3〜15μmであることが好ましい。
Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of the hydrogen-
水素透過性金属膜2をその両側から挟持する多孔質金属薄膜3a,3bは、水素透過性金属膜2を支持して水素透過膜1に強度を付与するために用いられる。また、水素透過性金属膜2の表面を被覆することで、該金属膜2が被毒されることを防止するためにも用いられる。多孔質金属薄膜3a,3bには、それを貫通し勝つ水素の通過が可能な微細孔が多数形成されている。微細孔の大きさに特に制限はないが、余りにも大きすぎると、該孔を水素透過性金属膜2で閉塞するために該水素透過性金属膜2の厚みを大きくしなくてはならない。従って、微細孔の大きさは0.01〜30μm、特に0.01〜5μm程度であることが好ましい。各多孔質金属薄膜3a,3bにおける微細孔の大きさは同程度でもよく、或いは異なっていてもよい。
The porous metal
微細孔は、多孔質金属薄膜3a,3bの全域に亘ってほぼ均一に形成されている。多孔質金属薄膜のどの部位をとっても、1mm2の面積中に微細孔が30〜5000個、特に30〜2000個存在していることが、多孔質金属薄膜3a,3bを通じての水素が十分に行われる点から好ましい。同様の理由により、多孔質金属薄膜3a,3bの面積に対する微細孔の面積の総和の割合は1〜15%、特に1〜7%であることが好ましい。これらの値は、各多孔質金属薄膜3a,3bにおいて同程度でもよく、或いは異なっていてもよい。
The micropores are formed substantially uniformly over the entire area of the porous metal
本実施形態の水素透過膜1においては、多孔質金属薄膜3a,3bの厚みを小さくすることができ、それによって水素透過膜1にフレキシビリティを付与できることが特徴の一つになっている。多孔質金属薄膜3a,3bの厚みはそれぞれ1〜50μm程度の範囲で自由にコントロールすることができ、好ましくは2〜10μm程度、特に2〜5μm程度に薄くすることが可能である。このような薄い多孔質金属薄膜は、例えば電解めっきによって容易に形成することができる。この厚みは、各多孔質金属薄膜3a,3bにおいて同程度でもよく、或いは異なっていてもよい。
One feature of the hydrogen permeable membrane 1 of the present embodiment is that the thickness of the porous metal
多孔質金属薄膜3a,3bを構成する材料に特に制限はないが、該多孔質金属薄膜3a,3bを薄くしても十分な強度が発現する材料から構成されていることが好ましい。そのような材料としては、例えばニッケル、鉄、銅、それらの合金などが挙げられる。特にニッケルは、水素分子の解離に対する触媒作用を有していることから好ましく用いられる。各多孔質金属薄膜3a,3bを構成する材料は同じでもよく、或いは異なっていてもよい。
There are no particular restrictions on the material that forms the porous metal
水素透過膜1全体の厚みは、そのフレキシビリティや加工性の点から10〜80μm程度、特に10〜30μm程度の薄いものであることが好ましい。斯かる厚みの水素透過膜1はこれを自由な形状に加工することが容易であり、従って様々な形態の水素精製装置に取り付けることができる自由度を有している。また、多孔質金属薄膜3a,3bを有していることで、薄いにもかかわらず十分な強度を有しているので、水素精製の際の差圧に十分に耐えることができる。
The thickness of the entire hydrogen permeable membrane 1 is preferably about 10 to 80 μm, particularly about 10 to 30 μm, from the viewpoint of flexibility and workability. The hydrogen permeable membrane 1 having such a thickness can be easily processed into a free shape, and thus has a degree of freedom to be attached to various forms of hydrogen purifiers. Further, since the porous metal
次に、本実施形態の水素透過膜1の好ましい製造方法を、図2を参照しながら説明する。本製造方法では、先ずキャリア箔11上に多孔質金属薄膜3b形成し(図2(b)参照)、次いでその上に水素透過性金属膜2を形成し(図2(c)参照)、更にその上に多孔質金属薄膜3aを形成する(図2(d)参照)という工程が行われる。
Next, the preferable manufacturing method of the hydrogen permeable film 1 of this embodiment is demonstrated, referring FIG. In this manufacturing method, first, the porous metal
先ず図2(a)に示すようにキャリア箔11を用意する。キャリア箔11は、水素透過膜1を製造するための支持体として用いられるものである。また製造された水素透過膜1をその使用の直前まで支持しておき、該水素透過膜1の取り扱い性を向上させるために用いられるものである。これらの観点から、キャリア箔11は、水素透過膜1の製造工程において及び製造後の搬送工程やアセンブリ工程等においてヨレ等が生じないような強度を有していることが好ましい。従ってキャリア箔11は、その厚みが10〜50μm程度であることが好ましい。
First, a
キャリア箔11としては導電性を有するものを用いることが好ましい。この場合、導電性を有していれば、キャリア箔11は金属製でなくてもよい。しかし金属製のキャリア箔11を用いることで、水素透過膜1の製造後にキャリア箔11を溶解・製箔してリサイクルできるという利点がある。金属製のキャリア箔11を用いる場合、Cu、Ni、Co、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Ag、Au、Al及びTiのうちの少なくとも1種類の金属を含んでキャリア箔11が構成されていることが好ましい。
It is preferable to use a conductive foil as the
多孔質金属薄膜3bに微細孔を多数形成する観点から、キャリア箔11としてアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔(以下、これらを総称して単にアルミニウム箔という)を用い、以下に述べる方法で多孔質金属薄膜3bを形成することが好ましい。アルミニウム箔としては、JIS規格 1N30のAl合金(Al>99.30%、Fe+Si<0.7%)のものを用いることが好ましい。なお、Fe+Siの濃度の下限値はFe+Si>0.01%、特にFe+Si>0.1%である。このAl合金は合金中にAlを主成分としてFe及びSiがAl中に分散析出部として均一に分散しているものである。
From the viewpoint of forming a large number of fine holes in the porous metal
アルミニウム箔からなるキャリア箔11上に多孔質金属薄膜3bを形成するに先立ち、キャリア箔11の表面を脱脂しつつ、該キャリア箔11のAl部をエッチングする脱脂・エッチング処理を行う。処理液の組成及び処理条件は例えば次の通りである。なおアルミニウムが両性金属であることから、以下の組成の処理液を用いることで、アルカリ脱脂とエッチングとが同時に行われる。
・NaOH;15〜45g/l
・ロッシェル塩;25〜65g/l
・Na2CO3;25〜65g/l
・液温;20〜60℃、好適には30〜50℃
・処理時間;10〜300秒
・脱脂・エッチング速度1〜1.5μm/min
Prior to forming the porous metal
NaOH: 15-45 g / l
・ Rochelle salt; 25-65 g / l
・ Na 2 CO 3 ; 25-65 g / l
Liquid temperature: 20-60 ° C, preferably 30-50 ° C
Processing time: 10 to 300 seconds Degreasing Etching rate 1 to 1.5 μm / min
脱脂・エッチングが進行すると、キャリア箔11の表面のアルミニウムが除去されて、アルミニウム中に含まれているFeやSi等の不純物を含む微小な突出部が露出してくる。脱脂・エッチング処理は、この突出部が露出するまで行う。処理時間が長すぎると、Al2O3が生成してエッチング処理を妨害するので、エッチングが過飽和にならないように留意する。
As the degreasing / etching progresses, the aluminum on the surface of the
脱脂・エッチング処理が完了したら、キャリア箔11を室温において流水で洗浄し、脱脂・エッチング液を除去する。次いで、キャリア箔11に電解めっきを施す。例えばニッケルめっきを行う場合には以下の組成のめっき浴(ワット浴)、或いはスルファミン酸ニッケル浴を用いることができる。
・NiSO4・6H2O;150〜300g/l
・NiCl2・6H2O;50〜250g/l
・H3BO3;30〜40g/l
When the degreasing / etching process is completed, the
NiSO 4 .6H 2 O; 150 to 300 g / l
NiCl 2 .6H 2 O; 50 to 250 g / l
· H 3 BO 3; 30~40g / l
銅めっきを行う場合には以下の組成のめっき浴(CuSO4浴)、或いはピロリン酸銅浴を用いることができる。
・CuSO4・5H2O;150〜350g/l
・H2SO4;50〜250g/l
この場合の電流密度は2〜50A/dm2、特に10〜30A/dm2であることが好ましい。陽極には不溶性電極(DSE)を用いることが好ましい。電源には直流電源を使用する。
When copper plating is performed, a plating bath (CuSO 4 bath) having the following composition or a copper pyrophosphate bath can be used.
CuSO 4 .5H 2 O; 150 to 350 g / l
・ H 2 SO 4 ; 50 to 250 g / l
In this case, the current density is preferably 2 to 50 A / dm 2 , particularly preferably 10 to 30 A / dm 2 . It is preferable to use an insoluble electrode (DSE) for the anode. A DC power source is used as the power source.
電解めっきによってキャリア箔11上に所定厚みの多孔質金属薄膜3bが形成される(図2(b)参照)。多孔質金属薄膜3bに多数の微細孔が形成されるメカニズムは次の通りである。電解めっきの初期段階においては、キャリア箔11の表面に露出している突出部を起点として電析が起こり、めっき金属の金属粒子が生成する。そして生成した金属粒子が成長し、成長した金属粒子同士が連なって更に成長が進行する。この成長の間に金属粒子間に孔が生じる。この孔は金属粒子の成長に伴い埋まっていくが、ミクロ的には金属粒子間に微細孔が存在している。この微細孔は金属薄膜3bを貫通するものとなる。このようにしてキャリア箔11上に多孔質金属薄膜3bが形成される。
A porous metal
多孔質金属薄膜3bが形成されたら、図2(c)に示すように、その上に水素透過性金属膜2を形成する。この形成には各種薄膜形成手段を用いることができる。例えば水素透過性金属膜2がパラジウムやパラジウム合金からなる場合には、スパッタリング、イオンプレーティング、電解めっき等によって水素透過性金属膜2を形成することができる。一方、水素透過性金属膜2が水素吸蔵合金からなる場合には、スパッタリングを用いることができる。スパッタリングの成膜条件をコントロールすることで、アモルファスの水素吸蔵合金を形成することができる。この場合、下地となる多孔質金属薄膜3bは、熱伝導性の高い材料である金属材料からなるので、スパッタリングの際に生じる熱が逃げやすく、アモルファスの水素吸蔵合金が結晶化するという不都合を回避することができる。
When the porous metal
次いで、水素透過性金属膜2の上に多孔質金属薄膜3aを形成する(図2(d)参照)。これに先立ち、水素透過性金属膜2の上に、導電性ポリマーを含む塗工液を塗布し乾燥させて塗膜を形成する。この塗膜は、多孔質金属薄膜3aに多数の微細孔を形成するためのものである。水素透過性金属膜2の表面は完全に平坦ではなく、ミクロ的には凹凸形状になっている。そのような表面に前記の塗工液を塗布すると、該塗工液は凹部に溜まりやすくなる。この状態で溶媒が揮発すると、塗膜の厚みは不均一になる。つまり凹部に対応する塗膜の厚みは大きく、凸部に対応する塗膜の厚みは小さくなる。本製造方法においては、塗膜の厚みの不均一性を利用して、多孔質金属薄膜3aに多数の微細空隙を形成している。
Next, a porous metal
導電性ポリマーとしては、その種類に特に制限はなく、従来公知のものを用いることができる。例えばポリフッ化ビリニデン(PVDf)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)及びポリメチルメタクリレート(PMMA)等が挙げられる。特に、導電性ポリマーはフッ素含有の導電性ポリマーであることが好ましい。フッ素含有ポリマーは、熱的及び化学的安定性が高く、機械的強度に優れているからである。これを考慮すると、フッ素含有ポリマーであるポリフッ化ビリニデンを用いることが特に好ましい。 There is no restriction | limiting in particular as a conductive polymer, A conventionally well-known thing can be used. Examples thereof include poly (vinylidene fluoride) (PVDf), polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl methacrylate (PMMA). In particular, the conductive polymer is preferably a fluorine-containing conductive polymer. This is because the fluorine-containing polymer has high thermal and chemical stability and excellent mechanical strength. Considering this, it is particularly preferable to use poly (vinylidene fluoride) which is a fluorine-containing polymer.
導電性ポリマーを含む塗工液は、導電性ポリマーが揮発性の有機溶媒に溶解してなるものである。有機溶媒としては、導電性ポリマーとして例えばポリフッ化ビニリデンを用いる場合には、N−メチルピロリジノンなどを用いることができる。 The coating liquid containing a conductive polymer is obtained by dissolving a conductive polymer in a volatile organic solvent. As the organic solvent, for example, when polyvinylidene fluoride is used as the conductive polymer, N-methylpyrrolidinone or the like can be used.
本製造方法において、金属薄膜3aに多数の微細孔が形成されるメカニズムは次のように考えられる。前記の塗膜を構成する導電性ポリマーは、金属ほどではないが電子伝導性を有する。従って塗膜はその厚みに応じて電子伝導性が異なる。その結果、導電性ポリマーを含む塗膜の上に電解めっきによって金属を析出させると、電子伝導性に応じて電析速度に差が生じる。その電析速度の差によって金属薄膜3aに多数の微細孔が形成される。つまり、電析速度の小さい部分、換言すれば塗膜の厚い部分が微細孔になりやすい。
In this manufacturing method, the mechanism by which many fine holes are formed in the metal
塗工液に含まれる導電性ポリマーの濃度によって微細孔の孔径や存在密度をコントロールできる。例えば導電性ポリマーの濃度が薄い場合には孔径は小さくなる傾向にあり、存在密度も小さくなる傾向にある。逆に、導電性ポリマーの濃度が濃い場合には孔径は大きくなる傾向にある。塗工液における導電性ポリマーの濃度も、微細孔の孔径や存在密度の支配的な要因になる。この観点から、塗工液における導電性ポリマーの濃度は0.05〜5重量%、特に1〜3重量%であることが好ましい。 The pore size and density of the fine pores can be controlled by the concentration of the conductive polymer contained in the coating liquid. For example, when the concentration of the conductive polymer is low, the pore diameter tends to be small and the existence density tends to be small. Conversely, when the concentration of the conductive polymer is high, the pore diameter tends to increase. The concentration of the conductive polymer in the coating liquid is also a dominant factor of the pore size and density of the fine pores. From this viewpoint, the concentration of the conductive polymer in the coating solution is preferably 0.05 to 5% by weight, particularly 1 to 3% by weight.
多孔質金属薄膜3aを形成するためのめっき浴やめっき条件は、先に形成されている多孔質金属薄膜3bのそれと同様とすることができる。
The plating bath and plating conditions for forming the porous metal
最後に、図2(d)に示すようにキャリア箔11を多孔質金属薄膜3bから剥離分離する。これによって水素透過膜1が得られる。水素透過膜1をその使用の前まではキャリア箔11から剥離せず、キャリア箔11に支持させておいてもよい。なお、キャリア箔11としてアルミニウム箔を用いた場合には、その脱脂・エッチング処理から多孔質金属薄膜3bの形成の間に、箔の表面が不動態化して酸化被膜が形成される。この酸化被膜が剥離層として作用するので、キャリア箔11の多孔質金属薄膜3bからの剥離は首尾良く行われる。
Finally, as shown in FIG. 2 (d), the
このようにして得られた水素透過膜は、水素の分離・精製膜として用いられることはもちろんのこと、水素透過膜電極や各種センサーに適用することができる。 The hydrogen permeable membrane thus obtained can be applied to hydrogen permeable membrane electrodes and various sensors as well as being used as a hydrogen separation / purification membrane.
本発明は前記実施形態に制限されない。例えば図1に示す実施形態においては、水素透過性金属膜2の各面に多孔質金属薄膜3a,3bが形成されていたが、これに代えて水素透過性金属膜の一面にのみ多孔質金属薄膜を形成してもよい。
The present invention is not limited to the embodiment. For example, in the embodiment shown in FIG. 1, the porous metal
また、図2に示す水素透過膜の製造方法においては、キャリア箔11上に形成される多孔質金属薄膜3bの形成方法として、アルミニウム箔の脱脂・エッチング処理に代えて、水素透過性金属膜2上に形成される多孔質金属薄膜3aの形成方法と同様に導電性ポリマーを含む塗工液を用いてもよい。
Further, in the method for producing the hydrogen permeable membrane shown in FIG. 2, as a method for forming the porous metal
1 水素透過膜
2 水素透過性金属膜
3a,3b 多孔質金属薄膜
11 キャリア箔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen
Claims (8)
キャリア箔上に電解めっきによって前記多孔質金属薄膜を形成し、次いで該多孔質金属薄膜上に、薄膜形成手段によって前記水素透過性金属膜を形成し、然る後、前記キャリア箔を剥離分離することを特徴とする水素透過膜の製造方法。 A method for producing a hydrogen permeable membrane according to claim 2,
The porous metal thin film is formed by electrolytic plating on the carrier foil, and then the hydrogen permeable metal film is formed on the porous metal thin film by a thin film forming means, and then the carrier foil is peeled and separated. A method for producing a hydrogen permeable membrane.
The coating liquid containing a conductive polymer is applied on the hydrogen permeable metal film to form a coating film, and then a porous metal thin film is further formed on the coating film by electrolytic plating. Production method.
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