电沉积法制备泡沫铁

电沉积法制备泡沫铁作者张凤鑫摘要——以聚氨酯泡沫为基体，经预处理，化学沉积、电沉积和焚烧及热还原工艺制备了均匀分布三维网状孔结构的、高空隙率（>95%）且具有一定拉伸强度的泡沫铁材料。

通过生物显微镜观察了制备过程各步骤产品的形貌。

关键词电沉积制备泡沫铁ABSTRACT A novel method for preparing very porous foamy iron was proposed , in which the polyurethane foam as substrate was processed by pret reatment , electrodeposition and roasting-reduction . The foamy iron presents a three-dimensional network structure with high porosity , uniformity , mechanica l strength and tenacity .KEY WORDS Electrodeposition , Manufacturing ,一. 前言发泡金属又称泡沫金属，是一种新型的功能材料，从结构上可分为多泡性发泡金属和通透性发泡金属两种，前者含有大量独立存在的气泡，而后者则以连续畅通的三维多孔结构为主。

由于结构不同，性质也有很大的差异，具有不同的用途。

发泡金属的制备方法有很多种[1]，包括有铸造法，粉末冶金法、烧结法、沉积法和高压浸透法，气相蒸发沉积法等。

本实验是采用电沉积法制备发泡金属铁，是指在通电条件下，溶液中的金属离子沉积在基体上的电镀过程。

所谓的电镀过程，它是一种电沉积过程，具体说来，是电解液中的金属离子在直流电的作用下，在阴极上沉积出金属的过程。

电镀法采用以发泡树脂为基体，分三步来完成的：即首先将原料（聚氨酯发泡树脂）表面做导电处理，处理过程包括洗涤，粗化、敏化、活化、化学镀或涂覆导电浆；然后在适当的条件下进行电镀；电镀后烧结除去有机基体，并在H2 流中还原。

也可以将碳纤维制成的毡作基体，洗净处理后直接进行电镀，再经洗净、干燥、烧结还原，即得发泡金属。

用电镀法制备发泡金属一般只适用于导电性较好的金属，如Ni、Ni合金、Cu、Cu合金、Ag等。

采用电镀法，其独特之处在于可以生产出高度均匀和孔隙率高的发泡金属在某些情况下，为了改善镀层的连续性和保证镀层与基体金属或合金之间具有必要的结合力，往往在基体金属上镀一层其他金属或合金作为中间镀层。

如果金属在中间镀层上比在基体金属上容易析出，那么就有利于获得连续而比较均匀的镀层。

本实验就是先在树脂上化学镀，作为中间体，再电镀铁。

发泡金属具有许多诱人的特性，如：（1）它的重量轻，比重仅有母体金属的2%～60%；（2）比表面积大，高达106m2/m3；（3）它的通透性好，对液体和气体的阻力很小；（4）能量吸收强，可以吸收震动和声波等；（5）热导率低；（6）电磁屏蔽性好；（7）阻燃性优良；（8）有良好的催化性；（9）有极佳的气敏性等。

因此，已经开发和正在开发的用途很广泛，如能量吸收器、减振器、过滤器、阻燃器、换热器、内燃机的排气消音器、多孔电极、充电池的极板材料、高温填料、电磁屏蔽材料、太阳能转换器、化学工业的催化剂及催化剂载体，慢性约束核聚变激光试验中的超热电子抑制材料等。

预计在航天航空、能源材料、化工、冶金、仪器仪表等方面，均有着很好的应用前景。

泡沫金属的机械性质主要取决于其密度，但也与其孔径，孔结构及孔分布状态有很大的关系。

密度反映了孔隙率，所以孔隙率是决定泡沫金属机械性能的重要参数。

以烧结法制备的低密度泡沫镍（95%孔隙率），在退火条件下几乎不能施加负荷，电沉积法生产的孔隙率为96%的泡沫镍，拉伸强度大于1.3N/mm2。

早在1951年就成功地生产出了泡沫铝，但其机械性能却不好，为了改善泡沫铝的强度性质，采用的方法有：（1）加入增粘剂，通常为含氧物质，与金属铝在原位形成氧化物；（2）在熔融状态的泡沫铝中加入高达30%的铝渣，可以得到较高强度的泡沫铝；（3）断续热处理和老化热处理可提高泡沫合金的强度；（4）在泡沫金属中添加增强纤维，可以大大提高其强度性质。

通透性是多孔金属做为过滤材料，液液分离材料和消音材料等用途的关键性质。

一般地，通透性随孔径的增加而增大，但它也受孔面积粗糙度的影响，而且受闭孔数目的影响很大，只有那些具有开孔结构的泡沫金属才具有高的通透性。

用金属丝粉末冶金（纤维冶金）法生产的多孔材料，作为过滤材料使用，有很多的优点。

这种方法适用于多种金属，如铜，镍，镍铬合金，不锈钢等。

泡沫金属作为吸收声波材料，其吸收率可高达99%以上。

泡沫金属对声波的吸收能力受孔结构的影响较大，而且不同孔结构的泡沫对不同频率的声波吸收能力是不同的。

多数情况下，开孔越多，吸音性越好。

孔的大小对所有频率声波的吸收能力均有影响，孔径越小，吸收频率越高。

最小孔径的泡沫镍对声波有最好的吸收，所以改变孔径和材料的形状，可以改善泡沫金属对声波的吸收性。

泡沫金属的传导性是指泡沫金属对热及电的传导性。

在给定体积的泡沫金属中，所含的金属量很少，而且孔隙率越高，含量越少。

这就意味着其电及热的传导性要比母体金属差得多。

试验表明：密度为母体金属4%的泡沫铜和镍，其电导率只有母体的1%左右。

泡沫镍的热导约为金属镍的1%；泡沫铝的热导也很低；泡沫铝的电阻却高达1010Ω数量级，所以泡沫金属具有很好的热、电绝缘性。

泡沫金属仍保有母体金属的铁磁性，因此它具有电磁屏蔽性。

发泡镍具有良好的屏蔽效果。

研究表明，发泡金属的电磁屏蔽性能在一定数值以上不受体积密度的影响，但受孔径大小的影响。

泡沫金属的应用范围很广，正在开发的用途日益增加。

目前，泡沫金属的发展已受到很大的关注，下面列举几项它的应用。

泡沫金属作为减振器（或能量吸收器）可能的应用范围从内燃机的消音器到一些机械的紧固装置，航天飞机的保护外壳、碰撞记录仪，以及航天飞机的着陆“脚”等等。

泡沫铝是一种优良的能量吸收材料，它可以用在起重机和传送带的安全缓冲系统中；在高速球磨机中，可作为能量吸收衬里保护膜；作为减振材料，也可以用在汽车工业中。

而5～10%母体金属密度的泡沫铜作为减振材料，其性能优于橡胶。

泡沫金属是一类很好的过滤材料，可用于过滤除去气体、液体中的固体颗粒，如用于石油、汽油、制冷剂、高聚物熔体、水悬浮液，高炉气等的过滤，净化。

特别是一些需要在较高温度下过滤的气体和液体（如金属液体），更能显示泡沫金属过滤器的重要性。

现在用的最多的金属过滤材料是泡沫铜及泡沫不锈钢。

用泡沫铜可以过滤除去输气管线中的灰尘等杂质，也可以用在呼吸装置系统中以取代丝网过滤材料，提供更好的过滤性能。

泡沫镍可用于过滤除去水，燃料油及流体控制系统中的微小固体颗粒。

用电沉积法生产的泡沫金，可用于过滤除去强腐蚀性液体中的固体颗粒。

而在分离介质应用中，如从水中分离油；扩散介质（也称为分布器），如向液体中通入气体或向液体流中通入CO2等，可以通过泡沫金属分散成微气泡。

在生物化学领域，可以用压缩金属泡沫作为渗透膜的支持体。

从原理上讲，泡沫金属也可以作为渗透与反渗透材料，可用于脱盐和除氢，废水处理等等。

我们为了提高孔隙率，常常加入疏松剂，这种试剂在烧结过程中分解或挥发，也可以通过升华或浸取除去。

如在生产铁、镍、铜或它们的合金过滤器时，常加入甲基纤维素做疏松剂，孔隙率可提高到70%～90%。

泡沫金属是一类优良的消音材料。

利用泡沫金属扩散降压，几乎可以完全消除在高压输气管道降压时产生高分贝的噪音，而且对气流没有太大的影响。

日本已将泡沫金属用于汽车工业及内燃机汽缸消音和列车发电机室的消音，还用在了录音棚的消音等等，作为消音材料用途很广。

泡沫金属是一类优良的阻燃器材料，它可以阻止火焰通过，让气体自由通过，相当于从燃烧的气体中将火焰“过滤”掉。

因此在矿井的电机及电源开关，炼油厂及其它类似的工厂中，有着重要的用途。

泡沫金属具有很高的比表面积，因此是加热器及热交换器的优良材料。

泡沫镍可以吸收转化照在其上的90%的太阳能，因此它可能被用作太阳能收集器。

泡沫镍对于循环空气加热器也是一种有效的加热过滤材料。

泡沫镍用于电阻式水热器比其它材料要好的多，且具有较低的表面温度。

在换热机械装置中，如果将泡沫金属直接做在换热管的内外表面，则可以大大增加换热面积，提高换热速度和效率。

泡沫金属的特殊结构及物理性能表明这是一类轻质、优良的结构材料，特别在200℃以上的高温下使用，更显其优越性。

泡沫铝已用于飞机上复合材料的芯片，泡沫镍已用于墙体或地板的加热瓦，将泡沫镍卷成圆柱状，可作为带钢加热管，用于各种液体，包括液体金属的加热。

泡沫金属也可用于多孔结构的抗压增强填料，其开孔结构可允许热流体进入以防冷冻，将泡沫金属粘结在固体基体上，可以制得多功能的结构材料。

泡沫金属与高分子聚合物复合可制得具有优良性能的结构材料等等。

泡沫金属可用作碱性电池及燃料电池的极板材料，特别是发泡镍用于镍氢，镍铬充电电池，其电池容量可分别提高50%和30%。

发泡镍也可作为电化学反应器的多孔电极。

利用发泡镍制作电化学脉冲流反应器，进行苯乙醇的氧化，可大大提高电流效率及转化率。

在化学工业中，泡沫金属是一种很有吸引力的金属材料。

它用于精馏塔的填料及塔板材料，可大大提高理论塔板数。

因为它具有很高的比表面积，所以也是一种很好的催化剂或催化剂载体。

有数据表明，用泡沫金属做催化剂可比其它催化剂提高50倍以上的效果。

银是工业上常用的催化剂，多用于选择性氧化，如乙烯氧化成环氧乙烷等。

目前，应用的有两种，一种是附载型，另一种是银丝。

前者催化剂使用寿命短，再生及回收困难，后者的比表面积小，催化活性低。

考虑到发泡金属的特点，如将银制成发泡银用以代替目前的银催化剂，可具有一定的特点。

在化学工业中，铁也可作为催化剂，用发泡铁，就是充分利用它的高空隙率，通透性好的特点，以代替铁粉。

二. 实验2.1 仪器及试剂2.1.1 仪器：晶体管直流稳压电源（上海产），IAS4型图象分析仪，生物显微镜，国产HDV-7C型恒电位仪，电镀槽，电磁感应炉，可控硅温度器，YJ92/5型直流稳流电源等。

2.1.2 试剂：聚氨酯软泡沫，厚度2.4mm ，空隙率为90%以上；KMnO4，H2SO4（ρH2SO4=1.84 ），草酸，SnCl2·2H2O ，HCl（36%水溶液），PdCl2，NaH2PO2·2H2O ，NaOH ，NiSO4·6H2O ，柠檬酸钾，NH4Cl ，FeCl2·4H2O ，NaCl 。

实验用试剂均为分析纯，实验用水皆为一次蒸馏水。

2.1.3 试剂配制SnCl2·2H2O （20g/L ）溶液配制：称取10g SnCl2·2H2O ，并用少量1：1的盐酸溶液溶解，加水稀释至500ML。