連續(xù)泡沫鐵的制造技術(shù)

曾海軍

（北川天訊新材料有限公司，四川 綿陽 622600）

連續(xù)泡沫鐵的制造技術(shù)

曾海軍

（北川天訊新材料有限公司，四川 綿陽 622600）

以經(jīng)旋切的卷狀聚氨酯泡綿為載體，先在低溫下采用等離子表面清洗機(jī)清洗載體，再采用磁控濺射技術(shù)對泡棉進(jìn)行導(dǎo)電化處理，對其預(yù)鍍鐵后采用氯化鐵體系沉積液電沉積加厚鐵鍍層，最后采用燒結(jié)法除去聚氨酯泡綿骨架，即獲得泡沫鐵。給出了各個工序的工藝條件，討論了導(dǎo)電化處理、預(yù)鍍、加厚電沉積鐵、熱處理等工藝參數(shù)對泡沫鐵性能的影響。

泡沫鐵；等離子清洗；磁控濺射；氯化物鍍鐵；熱處理

Author’s address:Beichuan Tianxun New Materials Co., Ltd., Mianyang 622600, China

1 前言

泡沫鐵具有優(yōu)異的物理性能，比表面積大，孔徑大、孔隙率高，透過性好，熱導(dǎo)率低，電磁屏蔽性好，阻燃性優(yōu)良，催化性良好，氣敏性極佳，因此已經(jīng)開發(fā)和正在開發(fā)的用途很廣，如交換器、散熱器、過濾器、能量吸收器、減振器、阻燃器、內(nèi)燃機(jī)的排氣消音器、多孔電極、充電電池的極板材料、高溫填料、電磁屏蔽材料、太陽能轉(zhuǎn)換器、超熱電子抑制材料、化學(xué)工業(yè)的催化劑及催化劑載體等。預(yù)計泡沫鐵在航天航空、能源材料、化工、冶金、儀器儀表等方面，均有著很好的應(yīng)用前景。

泡沫鐵的主要制備方法是粉末燒結(jié)和電沉積。由于鐵的熔點高，在采用粉末燒結(jié)法制備泡沫鐵時還有一些工藝難題需要克服。目前的電沉積生產(chǎn)工藝也只能制備出片式的泡沫鐵，并且質(zhì)量難以保證，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的需要。連續(xù)電沉積工藝不但能制備出高質(zhì)量的產(chǎn)品，且連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量均勻，許多重要指標(biāo)可在連續(xù)生產(chǎn)中在線控制。連續(xù)的泡沫鐵還有利于下游產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)線生產(chǎn)使用，提高生產(chǎn)效率，連續(xù)產(chǎn)品一定會取代片式產(chǎn)品。隨著泡沫鐵材料新的使用領(lǐng)域不斷被研究和開發(fā)，其市場前景將會越來越廣闊。

泡綿的抗拉強(qiáng)度較低，易變形，在電沉積部分金屬鐵后因脆性加大而易斷裂。所以制備連續(xù)泡沫鐵的難度較大，一直是研究的熱點，但相關(guān)的報道不多。本文根據(jù)筆者多年的實踐，總結(jié)了泡綿預(yù)處理、導(dǎo)電化處理、電沉積鐵金屬及熱處理的具體工藝，并闡述了工藝條件對泡沫鐵性能指標(biāo)的影響。

2 工藝介紹

2. 1 材料

采用經(jīng)旋切的卷狀聚氨酯爆破泡綿(日本產(chǎn))為載體，孔密度為90個/in，每卷長度為100 m左右。

2. 2 工藝流程

泡綿旋切─低溫等離子清洗─導(dǎo)電化處理(磁控濺射)─電沉積鐵─熱處理。

2. 3 工藝說明

2. 3. 1 泡綿旋切

以12 m/min的切割速率將圓柱狀泡綿連續(xù)地切割成1.8 mm厚、1.0 m寬的片狀，切割后的泡綿自動卷繞成卷。

2. 3. 2 低溫等離子表面清洗

旋切后的泡綿表面有殘存的油脂、水分和切削碎屑，經(jīng)清洗后才能進(jìn)行導(dǎo)電化處理。采用筆者所在公司研發(fā)的等離子表面清洗機(jī)，以氣體作清洗介質(zhì)，有效避免了液體清洗介質(zhì)對被清洗物的二次污染和對環(huán)境的污染。等離子表面清洗機(jī)內(nèi)部有一套精密的收放卷卷繞裝置，所有導(dǎo)輥都有同步帶傳動，避免了泡綿因受力拉長而結(jié)構(gòu)改變；外接一臺真空泵及氣體混合流量控制設(shè)備，工作時清洗腔中的等離子體對泡綿的三維表面進(jìn)行清洗，短時間內(nèi)就可將有機(jī)污染物及切削碎屑等徹底清洗掉，同時污染物被真空泵抽走，泡綿表面得以清潔。清潔后的泡綿已非常干燥，不必再除濕，為下一步導(dǎo)電化處理奠定良好的基礎(chǔ)。

具體參數(shù)為：放電真空度10 Pa，等離子發(fā)生器功率10 kW(4臺可調(diào))，氣體介質(zhì)Ar、O2，處理速率10 m/min，自動操作。

2. 3. 3 導(dǎo)電化處理(磁控濺射)

導(dǎo)電化處理設(shè)備是采用筆者所在公司的專利技術(shù)制造的JJP-1360高真空連續(xù)卷繞鍍膜機(jī)，使用多電機(jī)驅(qū)動，恒張力控制，距離收卷方式，所有導(dǎo)向輥都與主動軸同步運(yùn)行，避免了泡綿的拉伸變形。

鍍膜采用10靶雙面磁控濺射，先將整個鍍膜系統(tǒng)抽至較高的真空狀態(tài)(10?3Pa)，再通入氬氣，接通電源后工作氣體在極間高壓的作用下輝光放電產(chǎn)生大量氬離子，氬離子在電場作用下加速轟擊陰極靶材，與靶材原子產(chǎn)生能量交換，使靶材原子獲得足夠的能量而克服原子間結(jié)合力的約束并濺射出來。當(dāng)泡綿以一定速率通過濺射區(qū)時，靶材濺射出的大量金屬原子沉積在泡綿的三維表面，形成連續(xù)的金屬膜層，使泡綿具有了導(dǎo)電性。

靶材金屬為鎳和銅：鎳作底層金屬，由下方 2個濺射靶負(fù)責(zé)；銅金屬用于進(jìn)一步降低泡綿的表面電阻，由中間的4個靶濺射；鎳還作為覆蓋層，由上部4個靶濺射。這種濺射金屬層組合可在泡綿表面獲得較低的電阻，有利于后續(xù)的金屬電沉積，保證所得泡沫鐵有較高的抗拉強(qiáng)度。

具體濺射參數(shù)為：基礎(chǔ)真空度5.0 × 10?3Pa，濺射真空度1.8 × 10?1Pa，泡綿運(yùn)行速率1.5 m/min，Ar氣流量386 SCCM(即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)mL/min)，靶與泡綿距離100 mm，靶長度1 120 mm，鎳靶總功率20 kW，銅靶總功率10 kW，濺射后泡綿表面電阻1.2 k?。

鎳靶為純鎳材質(zhì)，電磁性能優(yōu)良，厚度為6.0 mm，對靶磁場有較強(qiáng)的屏蔽作用，使得靶面濺射場強(qiáng)太低，造成靶不能起輝。所以使用拼接靶，即用若干塊鎳板拼接成一個整體鎳靶，靶材表面有許多截斷磁路的間隙，使靶表面產(chǎn)生較多的漏磁而形成正交磁場，達(dá)到磁性材料高速磁控濺射成膜的目的。這種方式也相應(yīng)地降低了靶材制造成本，可允許磁性靶材有較大的厚度，延長靶材使用時間，提高生產(chǎn)效率。

2. 3. 4 電沉積

本工藝采用氯化亞鐵溶液作電沉積液，可獲得結(jié)構(gòu)均勻、韌性好的沉積層，電沉積液具有分散性高、深鍍能力強(qiáng)的特點，而且沉積速率高，均鍍能力好。

電沉積由預(yù)鍍和平鍍組成，預(yù)鍍是為了進(jìn)一步降低表面電阻以得到均勻的鍍層，為下一步沉積作準(zhǔn)備，以獲得較高抗拉強(qiáng)度的泡沫鐵。預(yù)鍍液中 FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度為320 g/L，電鍍量一般控制在4 ～ 8 g/m2，此時材料依然保持其柔軟性，不易斷裂，表面電阻相對較低，為進(jìn)入平鍍區(qū)后高電流密度的沉積奠定了基礎(chǔ)。

平鍍配方及工藝為：主鹽FeCl2·4H2O 350 g/L，附加鹽MnCl2·4H2O 5 g/L，由抗壞血酸、氨基酸、氟化物組成的復(fù)合穩(wěn)定劑適量，pH為1.5，電流密度5 A/dm2，溫度30 ～ 45 °C，運(yùn)行速率6.0 m/h，純鐵板作陽極，電源波形為全波。

2. 3. 5 熱處理

燒結(jié)是為了除去聚氨酯泡綿骨架，留下金屬層。泡沫鐵在燒結(jié)過程中因氧化而變得非常脆，需要在氫氣氣氛中還原和退火，以得到成品泡沫鐵，所以燒結(jié)和還原設(shè)備采用網(wǎng)帶式一體連續(xù)結(jié)構(gòu)。熱處理設(shè)備包括：進(jìn)料機(jī)構(gòu)、燒結(jié)爐、過渡段、還原爐、保溫段、冷卻段、傳動系統(tǒng)、電控柜及控制系統(tǒng)。采用多工位收放卷。燒結(jié)爐采用多層保溫結(jié)構(gòu)，由于爐體保溫效果好，外界環(huán)境對爐內(nèi)的干擾小，泡沫鐵的應(yīng)力可得到均勻釋放。燒結(jié)層數(shù)可增加到2層或3層，提高了生產(chǎn)效率。具體工藝如下：燒結(jié)溫度600 °C，還原溫度900 °C，運(yùn)行速率0.8 m/min。

3 產(chǎn)品性能

3. 1 表觀

采用以上工藝生產(chǎn)的連續(xù)泡沫鐵表面較為平整，無發(fā)黃、發(fā)黑等污跡，無裂痕和破損。

3. 2 物理性能

面密度誤差±10 g/m2，厚度(1.8 ± 0.1) mm。

抗拉強(qiáng)度：縱向≥1.20 N/mm2，橫向≥1.00 N/mm2。

延伸率：縱向≥4.5%，橫向≥10%。

寬度：(1 000 ± 1.5) mm。

柔韌性：對折180°后展開，無斷裂。

4 生產(chǎn)工藝條件對產(chǎn)品性能的影響

4. 1 導(dǎo)電化處理

泡綿表面金屬化是制造泡沫鐵的一道關(guān)鍵工序，其表面電阻決定電沉積所得泡沫金屬的抗拉強(qiáng)度和面密度的均勻性。若阻值偏高，預(yù)鍍時金屬不能在表面均勻沉積，形成不連續(xù)的鍍層，不但影響后續(xù)鍍厚鐵的沉積效率，還使沉積所得泡沫鐵面密度均勻性差。因此，濺射靶的總功率控制在30 kW左右，濺射膜層為鎳/銅/鎳的結(jié)構(gòu)，中間銅層的作用是進(jìn)一步降低表面電阻。

4. 2 預(yù)鍍

預(yù)鍍的目的是在泡沫表面獲得一層結(jié)晶細(xì)致、分布均勻的電鍍層，進(jìn)一步降低泡沫鐵的表面電阻，沉積量一般控制在4 ～ 8 g/m2，過高則會造成泡沫脆性加大，邊緣出現(xiàn)裂痕，難以通過一些導(dǎo)向裝置，過低則會造成鍍層沉積不連續(xù)，出現(xiàn)較多的漏鍍，因此要求鍍液具備較高的均鍍和深鍍能力。另外，預(yù)鍍時采用恒壓控制，使鍍層均勻覆蓋，轉(zhuǎn)入平鍍區(qū)加厚時才改為恒流。

4. 3 加厚電沉積的工藝條件

4. 3. 1 主鹽濃度

隨主鹽(FeCl2·4H2O)濃度的升高，鍍層硬度加大，但其質(zhì)量濃度大于400 g/L時鍍層硬度開始降低。在電鍍過程中，F(xiàn)e2+離子在主鹽濃度較低的電解液中的消耗比在主鹽濃度高的電解液中的消耗要快。主鹽濃度過低不利于極化；主鹽濃度適宜的電解液有較強(qiáng)的陰極極化，使晶核的生成速率大于生長速率，得到的鍍層結(jié)晶細(xì)致、耐蝕性好。

4. 3. 2 鍍液pH

pH對鍍層的硬度、耐蝕性、沉積速率等有較大影響。pH太低，陰極將產(chǎn)生大量氫氣，金屬的析出減慢，電流效率降低，鍍層中間夾雜大量氫氣，使鍍層脆性較大；pH過高，鍍層中間夾雜有氫氧化鐵，同樣會使鍍層變脆。隨pH升高，鍍層硬度呈先降后升的趨勢，是因為鍍液的 pH影響鍍液的陰極極化。本工藝選擇pH為1.5左右。

4. 3. 3 鍍液溫度

鍍層硬度隨溫度升高而下降。鍍液溫度高，離子的擴(kuò)散速率快，極化度小，電化學(xué)反應(yīng)快，析出的晶粒較粗大，使鍍層硬度下降；溫度過低，陰極極化大，晶粒較細(xì)，但生長速率慢，生產(chǎn)效率低。因此，選用40 °C為電鍍生產(chǎn)的溫度。

4. 4 熱處理的工藝條件

4. 4. 1 燒結(jié)溫度

采用電沉積法生產(chǎn)出的泡沫鐵脆性較大，燒結(jié)溫度過高會導(dǎo)致泡沫鐵由于從室溫到高溫的急劇變化而斷裂，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。生產(chǎn)實踐證明，經(jīng)600 °C燒結(jié)后，泡沫鐵的質(zhì)量不再減少。因此，實際生產(chǎn)中選擇600 °C為燒結(jié)溫度。

4. 4. 2 還原溫度

還原溫度對泡沫鐵的抗壓強(qiáng)度有明顯的影響。還原溫度升至900 °C時，泡沫鐵的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，此后開始下降，這是溫度過高導(dǎo)致材料晶粒尺寸變大的結(jié)果。

5 結(jié)語

泡沫鐵是“多孔金屬”家庭中的后起之秀。電沉積制成的泡沫鐵具有最佳三維全貫通網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，骨架的中空彼此交連，孔隙率高達(dá)96% ～ 98%，體積密度僅為金屬鐵的 1/40，比表面積極大。全新的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的特性使之成為功能型新材料，可用作堿性可充電池的電極材料，是電池生產(chǎn)廠家替代泡沫鎳、降低生產(chǎn)成本的首選。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，泡沫鐵生產(chǎn)工藝的研究越來越多，新載體材料被不斷采用，新工藝也被不斷推出，電沉積成為其中最有前途的制造工藝。然而，在采用高自動化提高生產(chǎn)效率、節(jié)能和清潔生產(chǎn)等方面仍需要進(jìn)一步努力。

Technology for continuous manufacturing of foamed iron //

ZENG Hai-jun

Foamed iron was prepared using polyurethane foam as substrate through the following steps: (1) cleaning the substrate with plasma cleaner at low temperature; (2) making the foam conductive by magnetron sputtering; (3) pre-plating iron; (4) thickening the iron coating by plating in a ferrous chloride plating bath; and (5) removing the polyurethane foam by sintering. The operation conditions of individual procedure were presented. The effects of process parameters of electrical conducting treatment, pre-plating, iron plating, and heat treatment on the properties of foamed iron were discussed.

foamed iron; plasma cleaning; magnetron sputtering; ferrous chloride iron plating; heat treatment

TQ153.12; TQ153.19

A

1004 – 227X (2012) 02 – 0017 – 03

2011–07–06

2011–09–08

曾海軍（1971–），男，山東鄆城人，技術(shù)員，主要從事物理沉積和電化學(xué)沉積結(jié)合方面的研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) yczjmzhj88@163.com。

[ 編輯：周新莉 ]