可卷繞多孔鐵鎳合金材料的製作方法
2023-08-12 21:49:46
專利名稱：可卷繞多孔鐵鎳合金材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及多孔金屬材料領域，具體涉及一種可卷繞的多孔鐵鎳合金材料領域。
背景技術：
目前在鎳氫、鎳鎘鹼性二次電池中使用的電極基板材料，正極普遍使用多孔鎳，負極使用多孔鎳或穿孔鍍鎳鋼帶。由於鎳資源在地球上的相對貧乏，鎳的成本又佔多孔鎳的製造成本的80％以上，因此決定了多孔鎳的價格居高不下。為降低電池生產成本，人們努力尋求其他的廉價的多孔金屬材料來取代多孔鎳，如多孔鐵、多孔鐵基複合材料，以便完全或部分替代多孔鎳用於電池基板材料。
純多孔鐵材料在生產和質量上至少有以下三個方面的缺點(1)在電鍍鐵的過程中，鍍層張應力很大，容易出現開裂的現象；(2)產品的柔韌性極差，在連續化生產過程中無法實現卷繞收放卷，因此不可能製得連續化帶狀的多孔鐵產品，只能製成塊狀或片式，因此不能滿足電池材料中連續化拉漿的工藝要求，同時也影響材料在圓形電池領域中的應用；(3)耐腐蝕性能和耐氧化性能差，不利於工業上長時間的保存、運輸和使用，由於多孔鐵材料對腐蝕敏感，在溼法生產和貯運過程中常常受到嚴重的腐蝕，給材料的進一步加工帶來不便，甚至無法使用。上述這些缺點使多孔鐵材料在工業上的實用性大大降低，在電池中的應用在技術上存在著許多問題。
北京有色金屬研究總院在「一種複合多孔金屬及其製備方法」(公開號為CN1355097A)專利公開文本中，公開了複合多孔金屬材料的製備方法，該方法是先將多孔材料製備導電層，採用電鍍的方法沉積一種金屬，然後再在第一層金屬的表面沉積另一種金屬，最後經過熱處理形成複合多孔金屬材料。我們嘗試採用該方法來製備鐵基多孔鎳複合材料，即以多孔鐵為基體，再鍍覆鎳。但由於鐵和鎳兩種金屬的物理性能差別較大，在兩個不同的金屬鍍層之間存在較大的應力，因此在電鍍過程中鍍層容易出現開裂現象，經過隨後的還原熱處理，鐵基多孔鎳複合材料的柔韌性極差，只能達到1～2次。
發明內容
本發明旨在提供一種價格低廉、工藝性能優良、耐蝕性強、柔韌性良好、對電池連續化生產適應性好的可卷繞多孔鐵鎳合金材料及其生產工藝，該材料產品規格(如長度、厚度、孔數、孔隙率、面密度等)和產品性能(如抗拉強度、柔韌性、耐蝕性等)均能適應電池的生產工藝，可替代傳統使用的多孔鎳材料，製作鎳氫、鎳鎘鹼性電池的電極基板，為克服現有鎳資源貧乏、多孔鎳成本價格高的問題提供了一個較好的解決方案，有效降低電池生產的直接材料成本。此外，在多孔金屬的其它應用領域，如高溫過濾介質、集熱、散熱材料、電磁屏蔽材料、催化劑載體材料等，採用本發明的多孔鐵鎳合金材料，也能有效地降低生產成本。
本發明的可卷繞多孔鐵鎳合金材料，呈三維或二維網狀結構，由金屬鐵和鎳構成骨架，鍍覆金屬量為300～600g/m2，多孔鐵鎳合金材料中金屬鎳的質量百分比為30～50％，鐵為餘量，材料呈塊狀或連續化帶狀，厚度為1.0～3.0mm，寬度為50～1500mm，材料的縱向柔韌性為4～15次，橫向柔韌性為12～35次，縱向抗拉強度為2.0～5.0N/mm2，橫向抗拉強度為1.5～3.5N/mm2。
製備這種多孔鐵鎳合金材料的生產工藝扼要介紹如下待鍍基材可以採用以下幾種有機多孔基材中的一種聚氨酯海綿、無紡布、棉布或化纖織物、纖維網。
採用生產常規多孔金屬的電沉積方法，包括膜芯導電化-電鍍-熱處理三個過程。首先是採用現有技術中的任何一種，包括化學鍍鎳、真空鍍鎳以及塗覆導電粒子等，對待鍍基材進行導電化；導電化後的基材在整體電鍍槽中一步完成鎳鐵合金電鍍，電鍍溶液採用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在45～80g/L之間，Ni2+與Fe2+的質量濃度之比在2.5～4.0之間，糖精的濃度為3～6g/L，溫度為40～60℃，控制電流密度在8～15A/dm2，鍍覆時間與所要求的金屬鍍覆量成正比；最後電鍍半成品在氫氣還原氣氛中進行熱處理，溫度為900～940℃，以去除基材，得到多孔鐵鎳合金材料成品。
與現有技術和產品相比，本發明具有如下優勢1.耐腐蝕性好。分別將大小為10cm×10cm、鍍覆金屬量為420g/m2(該鍍覆金屬量是多孔金屬用於電池極板材料時的常規要求)的多孔鐵、本發明的多孔鐵鎳合金、以及多孔鎳同時置於常溫常壓下相同的自然室內環境中，考察其自然鏽蝕的程度，結果如表1表1 不同多孔金屬材料自然鏽蝕程度
從表1中可看出本發明的多孔鐵鎳合金的耐腐蝕性能明顯優於多孔鐵，而與多孔鎳的耐蝕性能相當；本發明由於在電鍍過程中鎳和鐵形成共沉積，以合金形式同時鍍覆在多孔基材表面，可大大提高耐腐蝕的程度，解決了純多孔鐵材料腐蝕嚴重，不利於工業上長時間的保存、運輸和使用的難題。
2.物理性能優良。實驗證明多孔鐵鎳合金材料的金屬骨架中，含鎳量與產品物理性能的優劣有著密切的關係，含鎳量在一定範圍內才能保證多孔鐵鎳合金材料有著高柔韌性和高強度等物理性能，金屬骨架中含鎳量低於30％時，材料柔韌性極差；高於50％時，材料抗拉強度和電性能下降，且隨著鎳含量的上升，材料成本亦隨之上升。本發明的多孔鐵鎳合金材料在生產過程中主要通過調整合金電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度以及兩種離子濃度的比值，使Ni2+和Fe2+的總濃度在45～80g/L之間，Ni2+與Fe2+的質量濃度之比在2.5～4.0之間，使製備的材料中鎳的質量百分比為30～50％，由此生產出來的多孔鐵鎳合金的物理性能達到甚至超過了常規多孔鎳的物理性能，在各應用領域替代多孔鎳的潛力很大。
表2是本發明的多孔鐵鎳合金材料與常規多孔鎳材料在相同測試條件下，採用相同的測試方法而得到的各項物理性能和產品規格的比較。其中抗拉強度和斷後伸長率檢測按GB/T228-2002的規定進行；柔韌性的檢測方法為將材料試樣固定於直徑為25mm的兩光滑圓管之間，並使圓管軸心到伸出的泡沫鎳頂端的距離固定為50mm，然後按住伸出的材料，用力均衡緩慢地緊貼圓管表面，沿光滑圓管按左右方向連續交替卷繞，卷繞次數左右兩個方向各算一次，直至材料試樣表面任何一處出現1mm的可見裂紋，停止卷繞，記錄卷繞次數。
表2 物理性能和規格比較 從表2中可發現，本發明的多孔鐵鎳合金材料由於控制了材料金屬骨架中含鎳量，使其維持在30～50％之間，因此材料的柔韌性和抗拉強度已經明顯接近甚至超過多孔鎳的相應指標值，而其它物理性能與之相當，完全可以替代多孔鎳應用於電池極板、高溫過濾介質、集熱、散熱材料、電磁屏蔽材料、催化劑載體材料等相關行業。
3.與多孔鐵只能生產片狀不同，本發明的多孔鐵鎳合金由於具有優良的柔韌性，因此，多孔鐵鎳合金不僅可以呈塊狀，而且還可以呈連續化帶狀，生產中可卷繞收卷，產品長度在理論上可達無限長。附圖1是一卷本發明的多孔鐵鎳合金產品的照片圖，它清楚地反映了這一優點。由於可以卷繞收卷，呈連續化帶狀，因而在生產中可採用自動控制，實現連續化生產，大大提高生產效率，而且也能滿足電池材料中連續化拉漿的工藝要求，同時也可以適應圓形電池中對基板柔韌性的要求。
4.成本低。金屬鎳資源在地球上相對貧乏，價格明顯較金屬鐵高，而金屬的成本又佔多孔金屬的製造成本的80％以上，因而多孔鎳價格長期居高不下。而本發明的多孔鐵鎳合金50～70％的有色金屬鎳被普通金屬鐵替代，因此不僅可大大降低生產成本，而且可以有效節約有色金屬資源。相同鍍覆金屬量的多孔鐵鎳合金與多孔鎳相比，每平方米可節約成本10～15元，由此表明了本發明的多孔鐵鎳合金在替代多孔鎳時具有很強的市場競爭優勢。
5.由於生產連續化帶狀多孔鐵鎳合金的工藝與常規多孔鎳生產工藝類似，採用合金電鍍工藝，電鍍能夠一步完成，電鍍設備可採用如實用新型專利「連續化帶狀多孔鎳整體電鍍槽」(專利號CN98230333.5)所公開的設備，因而現有的生產多孔鎳的生產設備不需要經過任何改造就可以直接生產本發明所述的材料，不但可節約設備改造等相關費用，而且可隨時投入實際生產。
經卷繞的連續化帶狀多孔鐵鎳合金產品照片圖具體實施方式
實施例1
採用常規電沉積法生產連續化帶狀多孔鐵鎳合金，先通過化學鍍鎳、真空鍍覆、塗覆導電層等方式中的一種，對聚氨酯海綿基材導電化，導電化後的海綿在整體電鍍槽中一步電鍍鐵鎳合金，採用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在50～55g/L，Ni2+濃度與Fe2+濃度之比在3.1～3.3，糖精濃度為3～6g/L，最後在氫氣還原氣氛中，對電鍍後的半成品熱處理，熱處理溫度為900～950℃，去除海綿基材，得到多孔鐵鎳合金產品。
經上述工序所得產品呈三維網狀結構，鍍覆金屬量為420～450g/m2，產品中鎳的質量百分比為38～40％，鐵為餘量；柔韌性縱向為9～12次，橫向為25～30次；縱向抗拉強度3.0～3.5N/mm2，橫向抗拉強度1.8～1.95N/mm2，產品的孔數為110PPI，孔隙率≥95％。
實施例2採用常規電沉積法生產連續化帶狀多孔鐵鎳合金，先通過化學鍍鎳、真空鍍覆、塗覆導電層等方式中的一種，對無紡布基材導電化，導電化後的無紡布在整體電鍍槽中一步電鍍鐵鎳合金，採用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在60～70g/L，Ni2+濃度與Fe2+濃度之比在2.5～2.8，糖精濃度為3～6g/L，最後在氫氣還原氣氛中，對電鍍後的半成品熱處理，熱處理溫度為900～950℃，去除無紡布基材，得到多孔鐵鎳合金產品。
經上述工序所得產品呈二維網狀結構，鍍覆金屬量為480～550g/m2，產品中鎳的質量百分比為30～33％，鐵為餘量；柔韌性縱向為7～8次，橫向為15～20次；縱向抗拉強度4.5～5N/mm2，橫向抗拉強度3.2～3.5N/mm2；產品的孔數為80PPI。
實施例3採用常規電沉積法生產連續化帶狀多孔鐵鎳合金，先通過化學鍍鎳、真空鍍覆、塗覆導電層等方式中的一種，對纖維網基材導電化，導電化後的纖維網基材在整體電鍍槽中一步電鍍鐵鎳合金，採用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在65～80g/L，Ni2+濃度與Fe2+濃度之比在3.7～4.0，糖精濃度為3～6g/L，最後在氫氣還原氣氛中，對電鍍後的半成品熱處理，熱處理溫度為900～950℃，去除纖維網基材，得到多孔鐵鎳合金產品。
經上述工序所得產品呈三維網狀結構，鍍覆金屬量為560～600g/m2，產品中鎳的重量百分比為46～49％，鐵為餘量；產品的柔韌性縱向為12～15次，橫向為30～35次；縱向抗拉強度2.0～2.8N/mm2，橫向抗拉強度1.5～1.8N/mm2孔數為140PPI。
實施例4採用常規電沉積法生產連續化帶狀多孔鐵鎳合金，先通過化學鍍鎳、真空鍍覆、塗覆導電層等方式中的一種，對棉布導電化，導電化後的棉布在整體電鍍槽中一步電鍍鐵鎳合金，採用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在45～48g/L，Ni2+濃度與Fe2+濃度之比在3.0～3.2，糖精濃度為3～6g/L，最後在氫氣還原氣氛中，對電鍍後的半成品熱處理，熱處理溫度為900～950℃，去除棉布基材，得到多孔鐵鎳合金產品。
經上述工序所得產品呈二維網狀結構，鍍覆金屬量為420～450g/m2，產品中鎳的質量百分比為34～36％，鐵為餘量；產品的柔韌性縱向為8～10次，橫向為25～30次；縱向抗拉強度3.8～4.2N/mm2，橫向抗拉強度2.5～2.8N/mm2，產品的孔數為50PPI。
權利要求
1.一種可卷繞多孔鐵鎳合金材料，其特徵在於材料呈三維或二維網狀結構，由金屬鐵和鎳的合金構成骨架，金屬鎳的質量百分比為30～50％，鐵為餘量。
2.如權利要求1所述的可卷繞多孔鐵鎳合金材料，其特徵是材料的縱向柔韌性為4～15次，橫向柔韌性為12～35次。
3.如權利要求1所述的可卷繞多孔鐵鎳合金材料，其特徵是材料的縱向抗拉強度為1.5～5.0N/mm2，橫向抗拉強度為1.0～3.5N/mm2。
4.一種可卷繞多孔鐵鎳合金材料的生產工藝，包括膜芯導電化—電鍍—熱處理三個步驟，其中電鍍溶液採用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在45～80g/L之間，其特徵在於採用一步電鍍同時沉積金屬鎳和鐵，電鍍液中Ni2+質量濃度與Fe2+質量濃度之比在2.5～4.0之間。
5.如權利要求4所述的可卷繞多孔鐵鎳合金材料的生產工藝，其特徵在於所述的膜芯採用以下幾種有機多孔基材中的一種聚氨酯海綿、無紡布、棉布、纖維布、化纖織物和纖維網。
全文摘要
一種可卷繞的多孔鎳鐵合金材料及其製備方法，採用合金電鍍法，一步電鍍鐵和鎳，使鐵和鎳以合金形式沉積於經導電化處理後的非金屬基材表面，控制電鍍溶液中兩種金屬離子的總量和比例，由此得到的材料由鎳和鐵構成材料的金屬骨架，含鎳量在30％～50％之間，其餘為鐵，材料的柔韌性和抗拉強度等其他物理和力學性能與多孔鎳相當。本發明的材料，成本低、製作工藝與現有工藝條件匹配性好，廣泛應用於電池極板、催化劑載體、高溫過濾介質等領域，是替代傳統多孔鎳材料的理想材料。
文檔編號C22C1/08GK1651614SQ20041002287
公開日2005年8月10日 申請日期2004年2月6日 優先權日2004年2月6日
發明者鍾發平, 陶維正, 董新榮 申請人:長沙力元新材料股份有限公司