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超轻泡沫金属的简易高效制备及其性能研究

姜斌  
【摘要】:超轻泡沫材料具有超低的密度、高比表面积、吸收冲击能等特点,在催化剂载体、能量吸收等领域有着广泛的应用前景。目前,成功制备的密度小于10mg/cm3的超轻泡沫材料非常少,主要由碳、硅等非金属轻元素构成。由于金属相对于碳等非金属比重大,要制备孔隙率大于99%或密度小于10 mg/cm3的超轻金属泡沫宏观体面临更大的挑战。传统的制备方法只能获得孔隙率为40%~97%的泡沫金属,而超轻非金属泡沫的制备方法对于金属泡沫并不适用。迄今为止,尚未找到工艺简单、成本低廉的制备超轻泡沫金属的通用方法。本文选取一种廉价的日用清洁海绵-三聚氰胺泡沫为模板,以传统的化学镀为基础,首次采用无钯活化工艺,成功制备了银、镍、钴、铜等多种超轻泡沫金属宏观体。孔隙率均在99.5%以上,最轻的泡沫镍密度仅7.4 mg/cm3,孔隙率高达99.9%。采用无活化一步法进行化学镀银,在泡沫模板三维尺度形成了连续的超薄银膜,研究了不同工艺条件下银膜的结构及其形成机理。结果表明:此工艺过程与银镜反应相同,工艺简单;银镀层均匀连续,最薄的银层厚度仅200 nm,和理论计算结果相符;镀层的形成机理表明,控制溶液的浓度和反应温度,可以改变化学镀银的形核和长大速度,从而形成不同结构的镀层;无活化一步法化学镀银的最佳工艺条件为:反应溶液为20 g/L AgNO3、100 ml/L氨水、100 g/L葡萄糖,反应温度为20℃。采用化学镀银三聚氰胺泡沫,加热去除模板后,成功制备了密度低至18.7mg/cm3的超轻泡沫银。孔隙率高达99.8%,是目前已知最轻的泡沫银宏观体。研究了不同工艺对泡沫银微观结构的影响,测试了不同结构泡沫银的压缩性能,利用扫描电子显微镜原位观测了随温度变化泡沫银的形成过程。结果表明:化学镀银泡沫经烧结处理即获得超轻泡沫银宏观体;泡沫银由不同壁厚的中空银管构成,泡沫银的结构和烧结温度有关,烧结温度从660℃升高到700℃时,组成泡沫银的空心管转变为实心结构,泡沫银密度增大;超轻泡沫银的压缩强度随孔隙率增大而降低,中空管构成的泡沫银具有更大的压缩强度;对泡沫银制备过程进行原位观察发现,银在较低的温度下会发生再结晶和长大,组成泡沫银的银丝径会发生结构变化并产生收缩,使泡沫银宏观体和去除模板前相比出现了体积收缩。以化学镀银泡沫为基体,实现了银层上无钯活化的自触发化学镀镍,获得Ni/Ag/Ni三明治结构复合镀层,形成的超薄连续镀镍层厚度仅50 nm。经烧结处理即获得超轻泡沫镍。研究了无钯化学镀镍的镀层结构及其形成机理,研究了泡沫镍的制备工艺、结构和压缩性能。结果表明:化学镀镍能够在无钯活化的银层上进行,机理研究表明超薄连续银层的良好导电性促进了三维化学镀镍层的产生;去除模板后产物为超轻镍银复合泡沫,其孔壁由Ni/Ag/Ni三明治结构金属层组成,机理分析表明化学镀镍的强驱动力和氢气的产生促进了三明治结构的形成;超轻泡沫镍密度低至7.4 mg/cm3,孔隙率高达99.9%;其压缩曲线具有超长的压缩平台区,平台应变可达到82%,并且应力在平台区内保持不变,从而使泡沫镍的能量吸收效率高达98%。采用化学镀银泡沫,同样采用无钯活化工艺进行化学镀钴、化学镀铜后制备了超轻泡沫钴、超轻泡沫铜。研究了制备工艺、结构和泡沫钴的压缩性能。结果表明:采用无钯活化法在高分子表面进行化学镀钴,形成了厚度为150 nm的超薄连续镀钴层,经过烧结即获得超轻泡沫钴。泡沫钴的孔壁由Co/Ag双层结构金属层组成,密度低至12.7 mg/cm3,孔隙率高达99.9%;其压缩曲线与超轻泡沫镍相似,压缩平台应力可以在应变87%内保持不变;银层上化学镀的机理表明,金属离子吸收还原剂脱氢产生的电子后析出,连续超薄银层能够促进电子传输,加速金属沉积于银层表面而形成连续的金属镀层。本研究制备的镀银泡沫对各种化学镀具有普适性,所采用的方法是一种简易高效的制备超轻泡沫金属的通用方法。


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