一種泡沫鋁的製備方法
2023-11-07 13:48:02
專利名稱：一種泡沫鋁的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種生產泡沫鋁的工藝，特別是一種孔徑細小、均勻、孔隙率高的通孔泡沫鋁的製備方法。
背景技術：
目前，泡沫鋁是多孔泡沫金屬中較常見、應用前景較好的一種材料，它是一種利用金屬表面的物理特性產生特殊作用的結構功能材料。由於它具有特殊的結構，所以，其應用領域涉及材料結構和物理學的若干重要領域。結構方面的應用，主要在汽車、航天、建築等多種工業中；功能應用包括阻尼內耗、聲學、熱物理、多孔介質中流動、電磁學等。
多孔泡沫金屬材料已有五十多年的歷史，其最初採用發泡法製備，由於發泡法工藝控制很困難，所以限制了多孔泡沫金屬材料的發展。隨著人們逐漸認識到這是一種十分重要的高科技新材料，有著十分廣泛的應用前景，因此多孔泡沫金屬材料成為世界各國爭先開發的材料。日本、美國、西歐連年投入大量資金研究該項目，並在製備方法上，在製備過程的重要參數的模擬選擇方面取得了某些重要進展。在一些專利文獻上公開了許多這方面的技術內容，使多孔泡沫金屬材料在近十幾年內有了長足的進展。新的製備方法的不斷湧現、控制技術日趨完善。現有的多孔泡沫金屬材料製備方法主要分為以下三大類一、發泡法製備工藝(液態、固態)；二、滲流鑄造法製備工藝；三、電沉積工藝。
第一類液態金屬發泡法製備工藝是把鋁或鋁合金熔化後，在一定溫度下保溫，攪拌，加增粘劑，再加發泡劑，或者在坩堝中凝固，或者澆注到一模型中凝固，即可得到泡沫鋁；固態發泡法又可稱為粉末冶金法。把純鋁粉或鋁合金粉末同一定比例的發泡劑均勻混合在一起，壓實成坯料，放在可控氣氛爐中按一定工藝燒結，就可生產出泡沫鋁。從上述生產工藝就可知道，用這種方法生產的泡沫鋁的孔徑大小，均勻程度以及孔隙率，均有很大的不確定性。因此，廢品率較高。
第二類滲流鑄造法製備泡沫鋁的工藝是用一定尺寸的固體顆粒(如溶鹽、玻璃、陶瓷等)堆積在一起，然後，把熔融的鋁液澆注到固體顆粒的縫隙中，冷凝後再把固體顆粒除掉，就得到了泡沫鋁。這種方法生產的泡沫鋁孔徑的均勻性可以做到，但孔隙率不會很高。
上述兩類工藝是目前生產泡沫鋁的主要方法。這兩類工藝生產的泡沫鋁的結構特徵為孔徑比較大，為φ0.3～8mm，且不均勻，空隙率為60～90％，比表面積為10～45cm2/cm3。實際生產中，因其結構穩定性控制較困難，故產成的泡沫鋁廢品率較高。由於泡沫鋁的性能主要取決於它的結構，所以用前兩類方法生產的泡沫鋁受結構的限制，其各種性能已很難再提高。如何控制泡沫鋁的孔結構，使它更穩定、更細小、更均勻，更好地降低廢品率，一直是各生產廠商追求的目標。
第三類電沉積工藝是生產泡沫鎳的主要工藝方法。因採用電沉積法生產泡沫鋁的困難比較大，鋁的電極電位比氫還負，故採用鋁鹽水溶液電鍍時，陰極只能析出氫氣，而不會有鋁的沉積。因此，只能採用不含游離氫離子的非水電鍍液或熔融鹽液進行電沉積鋁。可以用這種方法在鋼質零件表面電沉積鋁，以提高其耐蝕性。電沉積法生產泡沫金屬，在一些國外專利中曾報導過，如EP-B1-0151064、US5503941專利中提到生產泡沫鎳；DE10123585專利中涉及到生產可膨脹金屬和泡沫金屬，但均為銅、鎳、鈷、鐵等金屬，不包括鋁；EP921210專利中涉及到用覆蓋和燒結的方法生產多孔鎳—鋁合金複合材料，其中，鎳層是採用電沉積方法，而鋁層則是採用有機化合物熱分解法沉積的。關於使用有機電鍍液電鍍鋁，在已出版的各種版本的電鍍手冊中均有介紹。其中包括將三氯化鋁和氫化鋁鋰溶於醚類溶劑中配置而成的以氫化物為基的電鍍鋁液；以溴化鋁為基溶於苯類溶劑配置而成的電鍍鋁液和以烷基鋁為基的電鍍液。這三種鍍液均可以在工件上，如螺釘、螺帽等，鍍上一層晶粒細小、平滑、銀白色的鋁鍍層。但都未涉及到製備泡沫鋁。烷基鋁為基的電鍍液同前兩種鍍液相比具有不宜燃燒；溶液中沒有氫離子，所以無氫脆危險；由於只有鋁可溶於鍍液，所以鍍層純度可高達99.99％。因鍍鋁層純度很高，故其抗腐蝕，塑性好，鍍層也緻密，烷基鋁的價格也比氫化物和溴化物便宜。但是，因為電鍍本身的尖角效應，以及烷基鋁鍍液中鋁離子的擴散速度較慢，在有孔或有凹坑的工件上均勻的鍍上一層鋁是不可能的，所以，一般情況下用烷基鋁鍍液電沉積泡沫鋁是不可行的。現有的電沉積法只能用來生產鎳、鐵、銅、鈷、鉻等金屬。
發明內容
本發明的目的是提供一種泡沫鋁的製備方法，它從根本上解決了泡沫鋁的結構穩定性問題，與現生產泡沫鋁的方法—發泡法或滲流鑄造法相比，孔結構穩定、容易控制，確保生產出孔徑細小、均勻、孔隙率高的通孔泡沫鋁，顯著提高產品質量，明顯降低廢品率和成本。
本發明的目的是這樣實現的該製備方法的操作步驟如下選用泡沫材料作為基底材料，經脫脂、去油、去除應力的預處理後，再經離子化處理，放在化學鍍銅液或鍍鎳液中化學鍍上一層銅導電錶面層或鎳導電錶面層，或將基底材料進行預處理後，用塗覆導電膠的方法預以處理，通過上述導電化處理後的基底材料作為陰極放入無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中，以工業純鋁板作為陽極，用脈衝電鍍法電沉積鋁，電解液溫度控制在50～95℃；電沉積時間1～2小時，採用輸出電流波形為方波、三角波或正弦波的脈衝直流電鍍電源，輸出峰值電流為10～200A；通斷比為1∶1～100；脈衝頻率為15～2000HZ。
上述電鍍槽中的無水有機烷基鋁電解液中所用原料的重量比分別為有機鋁鹽三乙基鋁∶穩定劑氟化物∶苯類溶劑＝150-300∶20-60∶220-420。
上述電鍍槽中的無水有機烷基鋁電解液中所用原料的重量比分別為有機鋁鹽三乙基鋁∶穩定劑氟化物∶穩定劑4、4』二氨基-3、3』二甲基氧基二苯甲烷∶苯類溶劑＝150-300∶20-60∶0.1-5∶220-420。
電鍍槽中的流體利用脈衝電流被動流過泡沫材料開口處或強制流過泡沫材料的開口處，以利於鋁在基底材料上的均勻沉積或定向沉積。
在電解液中使泡沫材料開口處的液體流動，至少在電鍍過程中的一段時間內使之流動；在金屬沉積過程中應用脈衝電流，周期(包括脈衝電流周期T，和無電流周期或反向脈動電流周期T』)T與T』可以相互獨立在0到9,000兆秒之間調節。
在泡沫材料開口處，使電解液槽中的流體被動流動，或者在金屬沉積過程中應用脈衝電流，可以使鋁離子的擴散速度增大，獲得明顯的擇優生長方向，這實現起來可重複性很強。
在電解液流動的情況下，擇優生長通常沿著平行於泡沫材料開口處電解液流動的方向。
使用脈衝電流，通過調節脈衝電流和無電流或者反向脈動電流周期，可以在很寬限度內改變擇優生長方向。電解槽金屬沉澱的繞射能力很大程度上也取決於電流調節器的使用；這種方法叫做脈衝電鍍。通過選擇合適的調節器，生長率R，能在R＝1(各向同性)和極度擇優R＞＞1到無窮的範圍內被影響。
擇優生長程度通常以所謂的生長率R來表示，R等於平行於陰陽極之間的連線方向和鍍液流動方向的垂直分量上的總的生長率。最終結果是在泡沫塑料的骨架上均勻的沉積上一定厚度的金屬鋁；或在泡沫塑料的骨架上沉積上厚度極不均勻的金屬鋁。
為了得到一定厚度的鍍層，可以使電解液受迫流動通過泡沫材料(這些泡沫材料具有導電錶面層)的空隙。為了在生長過程中得到幾種有利的生長方向，在金屬沉積處理時，電解液的流動方向可以向有利的方向調節。例如，這種變化可以在一定時間內使生長方向反向；但是，在整個生長期間內選擇大量的不同擴散方向也是可能的，結果在電解液中的泡沫塑料上面，均勻的沉積上金屬鋁或在某需要的方向上沉積較厚的金屬鋁。
基底材料進行導電化處理後，導電錶面層的厚度為0.1～5μm，電鍍後得到的電鍍鋁層厚度為10～50μm。
上述基底材料用的泡沫材料，可為有機泡沫材料，如聚亞胺酯、聚脂、聚苯乙烯、多酚、聚乙烯、聚丙乙烯。
基底材料也可以採用進行導電化處理後得到導電錶面層的有機纖維集成體，或具有導電性能的有機纖維或者金屬纖維，或導電的泡沫陶瓷材料和表面有導電金屬層或陶瓷層的不導電陶瓷泡沫材料。
對基底材料進行導電化處理，也可以利用陰極濺射或者金屬羰基化合物的氣化分解沉積製備導電錶面層。
在電沉積過程中利用機械攪拌方法使電解液強制流動和(或)通過電流調節器控制鋁離子移動方向。
該製備方法在電沉積步驟後還可以增加熱處理工序，目的是除去裡面的有機泡沫材料，比如通過高溫分解的方法。
除去裡面的有機泡沫材料也可以用合適的溶解方法，代替高溫分解法。
熱處理條件也能夠選擇，用來燒結沉積金屬鋁，這樣泡沫結構被燒結增強。
由於本發明採用經預處理的泡沫材料作為基底材料，先在其上進行導電化處理，然後放入無水有機無水有機烷基鋁電解液中，以脈衝直流電源的電沉積工藝電沉積鋁，所以成功地製取了孔徑細小、孔隙率高、結構均勻的通孔泡沫鋁。
採用電沉積工藝方法生產的泡沫金屬的孔結構主要取決於所選擇的基底材料。所選用的基底材料的結構決定了泡沫金屬的結構，它從根本上解決了泡沫金屬的結構穩定性問題。結構穩定了，性能的穩定性問題就迎刃而解了。通過實際檢測證明本發明製備出的泡沫鋁的主要結構特性是孔隙2.5～30個/cm、孔徑0.1～3.2mm表面積500～7500m2/m3、厚度2～20mm、密度0.10～0.34g/cm2。它從根本上解決了泡沫鋁的結構穩定性問題，與現生產泡沫鋁的方法一發泡法或滲流鑄造法相比，孔結構穩定、容易控制，確保生產出孔徑細小、均勻、孔隙率高的通孔泡沫鋁，顯著提高產品質量，明顯降低廢品率和成本。
以下結合附圖對本發明作進一步描述。
圖1是本發明選用聚亞安酯泡沫作為基底材料生產的泡沫鋁的掃描電鏡照片。
圖2是本發明選用聚乙烯泡沫作為基底材料生產的泡沫鋁的掃描電鏡照片。
具體實施例方式
根據圖1-2和實施方式詳細說明本發明的具體結構和工作過程。
實施方式一選用聚亞安酯泡沫作為基底材料，平均孔徑為0.60mm，孔隙率90％。經脫脂、去油、去除應力後，再經離子化處理，放在化學鍍銅液中化學鍍上一層銅導電錶面層。導電錶面層厚度是3～5μm，通過這種方法導電化處理後的聚亞安酯泡沫材料作為陰極放入無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中，工業純鋁板作為陽極，用脈衝電鍍法電沉積鋁。無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中含有150份三乙基鋁，20份NaF，220份甲苯；鍍液溫度控制在80～90℃；電沉積時間1小時。
電鍍槽可以是傳統的瓦特電鍍槽。電鍍電源為脈衝直流電源。電流波形是方波，正向峰值電流為140A，最小電流為0，無負電流。通斷比為1∶16。
電鍍槽中的流體沒有受強迫流動。
電鍍後得到的電鍍鋁層厚度為20μm左右。其形貌見圖1。
泡沫鋁被電鍍完後，裡面的合成泡沫核心能通過高溫分解去除。
把沉積的泡沫鋁在惰性氣氛下升高溫度(300～350℃)，或通過燒結處理(400～500℃)，去除合成泡沫核心，材料的強度和韌性也能大大提高。
實施方式二選用聚乙烯泡沫塑料為基底材料，平均孔徑為0.85mm，孔隙率92％。經脫脂、去油、去除應力後，再經離子化處理，放在化學鍍鎳液中化學鍍上一層鎳導電錶面層。導電錶面層厚度是0.1～3μm微米。通過這種方法導電化處理後的聚乙烯泡沫材料作為陰極放入無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中，工業純鋁板作為陽極，用脈衝電鍍法電沉積鋁。無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中含有225份三乙基鋁，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；鍍液溫度控制在60～80℃；電沉積時間1小時。
電鍍槽可以是傳統的瓦特電鍍槽。電鍍電源為脈衝直流電源。電流波形為半波正弦波，正向峰值電流為80A，最小電流為0，無負電流。通斷比為1∶1。
電鍍槽中的流體經攪拌強迫流動。攪拌器的轉數30轉/分鐘。
電鍍後得到的電鍍鋁層厚度為15μm左右。其形貌見圖2。
實施例三選用聚丙乙烯泡沫塑料為基底材料，平均孔徑為3.40mm，孔隙率為96％。用塗覆導電膠方法預處理。通過這種導電化處理後的聚丙乙烯泡沫材料作為陰極放入無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中，工業純鋁板作為陽極，用脈衝電鍍法電沉積鋁。無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中含有300份三乙基鋁，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；鍍液溫度控制在50～80℃；電沉積時間2小時。
電鍍槽用傳統的瓦特電鍍槽。電鍍電源為脈衝直流電源。電流波形是三角波，正向峰值電流為200A，最小電流為0，通斷比為1∶100。
電鍍槽中的流體沒有受強迫流動。
電鍍後得到的電鍍鋁層厚度為15～50μm。
權利要求
1.一種泡沫鋁的製備方法，其特徵在於採用如下操作步驟選用泡沫材料作為基底材料，經脫脂、去油、去除應力的預處理後，再經離子化處理，放在化學鍍銅液或鍍鎳液中化學鍍上一層銅導電錶面層或鎳導電錶面層，或將基底材料進行預處理後，用塗覆導電膠的方法預以處理，通過上述導電化處理後的基底材料作為陰極放入無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中，以工業純鋁板作為陽極，用脈衝電鍍法電沉積鋁，電解液溫度控制在50～95℃；電沉積時間1～2小時，採用輸出電流波形為方波、三角波或正弦波的脈衝直流電鍍電源，輸出峰值電流為10～200A；通斷比為1∶1～100；脈衝頻率為15～2000HZ。
2.根據權利要求1所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於電鍍槽中的無水有機烷基鋁電解液中所用原料的重量比分別為有機鋁鹽三乙基鋁∶穩定劑氟化物∶苯類溶劑＝150-300∶20-60∶220-420。
3.根據權利要求1所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於電鍍槽中的無水有機烷基鋁電解液中所用原料的重量比分別為有機鋁鹽三乙基鋁∶穩定劑氟化物∶穩定劑4、4』二氨基-3、3』二甲基氧基二苯甲烷∶苯類溶劑＝150-300∶20-60∶0.1-5∶220-420。
4.根據權利要求1所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於電鍍槽中的流體利用脈衝電流被動流過泡沫材料開口處或強迫通過泡沫材料的開口處。
5.根據權利要求1所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於基底材料進行導電化處理後，導電錶面層的厚度為0.1～5μm，電鍍後得到的電鍍鋁層厚度為10～50μm。
6.根據權利要求1所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於基底材料用的泡沫材料為有機泡沫材料，如聚亞胺酯、聚脂、聚苯乙烯、多酚、聚乙烯、聚丙乙烯。
7.根據權利要求1所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於基底材料採用進行導電化處理後得到導電錶面層的有機纖維集成體，或具有導電性能的有機纖維或者金屬纖維，或導電的泡沫陶瓷材料和表面有導電金屬層或陶瓷層的不導電陶瓷泡沫材料。
8.根據權利要求1所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於對基底材料進行導電化處理，利用陰極濺射或者金屬羰基化合物的氣化分解沉積製備導電錶面層。
9.根據權利要求1所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於在電沉積過程中利用機械攪拌方法使電解液強制流動和(或)通過電流調節器控制鋁離子移動方向。
10.根據權利要求1或2或3所述的泡沫鋁的製備方法，其特徵在於所用穩定劑氟化物為NaF或KF或CaF2或其結合；所用苯類溶劑為甲苯或乙苯或其結合。
全文摘要
一種泡沫鋁的製備方法，操作步驟如下選用泡沫材料作為基底材料，經脫脂、去油、去除應力的預處理後，再將經導電化處理後的基底材料作為陰極放入無水有機烷基鋁電解液的電鍍槽中，以工業純鋁板作為陽極，用脈衝電鍍法電沉積鋁，電解液溫度控制在50～95℃；電沉積時間1～2小時，採用輸出電流波形為方波、三角波或正弦波的脈衝直流電鍍電源，輸出峰值電流為10～200A；通斷比為1∶1～100；脈衝頻率為15～2000Hz。它從根本上解決了泡沫鋁的結構穩定性問題，與現現有技術相比，孔結構穩定、容易控制，確保生產出孔徑細小、均勻、孔隙率高的通孔泡沫鋁，顯著提高產品質量，明顯降低廢品率和成本。該泡沫鋁可做進一步熱處理，以提高材料的強度和韌性。
文檔編號C25D1/00GK1487122SQ0313385
公開日2004年4月7日 申請日期2003年7月3日 優先權日2003年7月3日
發明者孫偉成 申請人:孫偉成