梯度密度泡沫镍的制备工艺研究

(1．常德力元新材料有限公司，湖南常德415001;2．湖南文理学院，湖南常德415007)

摘要：采用不同阳极组合的方式，对泡沫镍进行二次电沉积镍，以有效控制两面以及中间金属沉积密度的比例，制备具有梯度沉积密度的泡沫镍材料。其沿厚度方向有三层金属沉积密度，比值为1:3:4。经过性能检测分析表明：具有梯度沉积密度的泡沫镍材料具有优异的电性能，更适合应用于动力型镍氢电池。

关键词：泡沫镍；电沉积；梯度密度；二次电镀；动力电池

中图分类号：TQ 153    文献标识码：A    文章编号：1000-4742(2011)02-0011-03

O前言

电沉积法制备高孔隙率泡沫镍的专利技术有很多，其产品主要用于作为Ni-MH和Ni-Cd电池的电极材料。以前的电沉积制造多孔金属材料技术是致力于追求金属的沉积密度和孔隙率的均匀性，但这种材料无法承受较大电流的冲击；特别是应用于纯电动汽车领域，容易造成泡沫镍极板在电池工作过程中产生断裂，从而影响到电池的使用寿命与使用安全。至今未见关于控制多孔金属产品的横断面上从一侧至另一侧沉积密度和孔隙率呈现梯度分布的技术报道。本研究通过控制电沉积过程中阴、阳极的不同组合并采用二次电沉积的方式，制备了一种具备梯度沉积密度的泡沫镍，其沿厚度方向有3层金属沉积密度，比值为1：3：4。

1  实验

1.1  实验材料

阴极采用5．O mm厚的聚氨酯海绵，其尺寸为20cm×20cm；阳极采用电解镍板，两阳极面积比为1：4；其它试剂均采用分析纯。

1.2  制备工艺

1. 2.1工艺流程

基体导电化处理→第一次电化学沉积→第一次热处理→辗压→第二次电化学沉积→第二次热处理

1.2.2  主要工序说明

(1)基体导电化处理

采用常规化学镀方法在海绵表面镀一层镍，镍的沉积密度为3 g/m²。   

(2)第一次电沉积    采用文献[1]所述的工艺条件：NiS0₄·7H₂0 280 g/L,NiCl₂·6H₂0 40 g/L,H₃B0₃ 40 g/L,pH值3.5，50℃。在上述工艺条件下，在经导电化处理后的基体上，镀层的沉积厚度比为1。

(3)第一次热处理

对第一次电沉积后所得的泡沫镍进行500℃焚烧，再在质量分数为70%的N₂和质量分数为30%的H₂保护气氛下进行1 000℃还原处理；并将热处理后的半成品的厚度辗压至2.5～3．O mm（基体厚度的1/2）。

(4)第二次电沉积

按第一次电沉积的工艺，采用面积比为1：4的两个阳极，在经过第一次热处理后的泡沫镍基体上获得沉积密度比为1：4的镀层。

（5）第二次热处理

将第二次电沉积后所得的泡沫镍在质量分数为70%的N²和质量分数为30%的H²保护气氛下进行800℃还原处理。

1.3测斌方法

(1)将泡沫镍样品沿长方向剪切为160 mm 长，20 mm宽的尺寸，置于拉力试验机上，按100  mm/min的速率检测样品的抗拉力与延伸率。

(2)采用扫描电镜对镀层形貌进行观察。

(3)按文献[2]的方法，在获得的厚度为5 mm 的泡沫镍试样上，用线切割在中间部位切取Φ5mm×20 mm的圆柱体；在此圆柱体上沿厚度方向按顺序依次切取厚度为0.8 mm的薄片，并分别测量其沉积密度。

2  结果与讨论

2.1  泡沫镍镀层横切面SEM图

图1为具有梯度沉积密度的泡沫镍的SEM  图。由图1可知：在厚度为0.8 mm处的横切面上可以明显地看到镀层包裹镀层的形貌，这就是具有梯度沉积密度的镀层所具备的特殊效果。图2是单一沉积密度泡沫镍的SEM图。相比图1而言，单一沉积密度泡沫镍的截面很平滑，表现出很明显的单一沉积形态。

图1梯度沉积密度泡沫镍SEM图

2.2泡沫镍镀层结晶形态SEM图

泡沫镍结构是由相互连接的肋条组合而成，肋条上镍的沉积密度将直接决定整个泡沫镍产品的性能。图3和图4分别为单一沉积密度泡沫镍肋条的SEM图和梯度沉积密度泡沫镍肋条的SEM图。从图3可以看出：现有工艺制备的单一沉积密度泡沫镍镀层的结晶粗大。由图4可知：具有梯度沉积密度的泡沫镍镀层结晶细致，具备较好的耐蚀性能和物理性能。

图2单一沉积密度泡沫镍SEM图

图3单一沉积密度泡沫镍肋条SEM图

图4梯度沉积密度泡沫镍肋条SEM图

2.3物理性能检测

根据检测实验结果可知：具有梯度沉积密度的泡沫镍的整体物理性能要强于单一沉积密度的泡沫镍的，性能提升了30%以上。因为具有梯度沉积密度的泡沫镍肋条的镀层结晶更加致密，因此提升了其整体物理性能^[3-6]。

2.4沉积密度分布

通过观察泡沫镍剖面的SEM图像（如图5所示），测量泡沫镍不同部位的厚度，计算其沉积厚度比，并测量泡沫镍不同部位的沉积密度^[7]，实验结果，如图6所示。由图6可知：本工艺制备的泡沫镍沿厚度方向沉积的镍具有明显的梯度分布特征，通过具体计算，其比值为1：3:4。

图5泡沫镍剖面电镜图

图6  沿泡沫镍厚度方向沉积密度检测

3结论

(1)采用二次电镀以及二次热处理的工艺，制备了具有梯度沉积密度的功能性泡沫镍，沿泡沫镍厚度方向检测，其沉积密度比为1:3:4。

(2)具有梯度沉积密度的泡沫镍具有优良的机械性能，比单一沉积密度的泡沫镍的整体物理性能提升了30%。

(3)通过本工艺，可以根据实际的产品性能需求，制备更多具有不同沉积密度比的泡沫镍层。

参考文献：

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