連續泡沫鐵的制造技術

曾海軍

（北川天訊新材料有限公司，四川 綿陽 622600）

連續泡沫鐵的制造技術

曾海軍

（北川天訊新材料有限公司，四川 綿陽 622600）

以經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清洗載體，再采用磁控濺射技術對泡棉進行導電化處理，對其預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，討論了導電化處理、預鍍、加厚電沉積鐵、熱處理等工藝參數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

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

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

泡綿的抗拉強度較低，易變形，在電沉積部分金屬鐵后因脆性加大而易斷裂。所以制備連續泡沫鐵的難度較大，一直是研究的熱點，但相關的報道不多。本文根據筆者多年的實踐，總結了泡綿預處理、導電化處理、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的影響。

2 工藝介紹

2. 1 材料

采用經旋切的卷狀聚氨酯爆破泡綿(日本產)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，經清洗后才能進行導電化處理。采用筆者所在公司研發的等離子表面清洗機，以氣體作清洗介質，有效避免了液體清洗介質對被清洗物的二次污染和對環境的污染。等離子表面清洗機內部有一套精密的收放卷卷繞裝置，所有導輥都有同步帶傳動，避免了泡綿因受力拉長而結構改變；外接一臺真空泵及氣體混合流量控制設備，工作時清洗腔中的等離子體對泡綿的三維表面進行清洗，短時間內就可將有機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，為下一步導電化處理奠定良好的基礎。

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

2. 3. 3 導電化處理(磁控濺射)

導電化處理設備是采用筆者所在公司的專利技術制造的JJP-1360高真空連續卷繞鍍膜機，使用多電機驅動，恒張力控制，距離收卷方式，所有導向輥都與主動軸同步運行，避免了泡綿的拉伸變形。

鍍膜采用10靶雙面磁控濺射，先將整個鍍膜系統抽至較高的真空狀態(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，與靶材原子產生能量交換，使靶材原子獲得足夠的能量而克服原子間結合力的約束并濺射出來。當泡綿以一定速率通過濺射區時，靶材濺射出的大量金屬原子沉積在泡綿的三維表面，形成連續的金屬膜層，使泡綿具有了導電性。

靶材金屬為鎳和銅：鎳作底層金屬，由下方 2個濺射靶負責；銅金屬用于進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，有利于后續的金屬電沉積，保證所得泡沫鐵有較高的抗拉強度。

具體濺射參數為：基礎真空度5.0 × 10?3Pa，濺射真空度1.8 × 10?1Pa，泡綿運行速率1.5 m/min，Ar氣流量386 SCCM(即標準狀態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，電磁性能優良，厚度為6.0 mm，對靶磁場有較強的屏蔽作用，使得靶面濺射場強太低，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，使靶表面產生較多的漏磁而形成正交磁場，達到磁性材料高速磁控濺射成膜的目的。這種方式也相應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，可獲得結構均勻、韌性好的沉積層，電沉積液具有分散性高、深鍍能力強的特點，而且沉積速率高，均鍍能力好。

電沉積由預鍍和平鍍組成，預鍍是為了進一步降低表面電阻以得到均勻的鍍層，為下一步沉積作準備，以獲得較高抗拉強度的泡沫鐵。預鍍液中 FeCl2·4H2O的質量濃度為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，為進入平鍍區后高電流密度的沉積奠定了基礎。

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、氟化物組成的復合穩定劑適量，pH為1.5，電流密度5 A/dm2，溫度30 ～ 45 °C，運行速率6.0 m/h，純鐵板作陽極，電源波形為全波。

2. 3. 5 熱處理

燒結是為了除去聚氨酯泡綿骨架，留下金屬層。泡沫鐵在燒結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，所以燒結和還原設備采用網帶式一體連續結構。熱處理設備包括：進料機構、燒結爐、過渡段、還原爐、保溫段、冷卻段、傳動系統、電控柜及控制系統。采用多工位收放卷。燒結爐采用多層保溫結構，由于爐體保溫效果好，外界環境對爐內的干擾小，泡沫鐵的應力可得到均勻釋放。燒結層數可增加到2層或3層，提高了生產效率。具體工藝如下：燒結溫度600 °C，還原溫度900 °C，運行速率0.8 m/min。

3 產品性能

3. 1 表觀

采用以上工藝生產的連續泡沫鐵表面較為平整，無發黃、發黑等污跡，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 生產工藝條件對產品性能的影響

4. 1 導電化處理

泡綿表面金屬化是制造泡沫鐵的一道關鍵工序，其表面電阻決定電沉積所得泡沫金屬的抗拉強度和面密度的均勻性。若阻值偏高，預鍍時金屬不能在表面均勻沉積，形成不連續的鍍層，不但影響后續鍍厚鐵的沉積效率，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/鎳的結構，中間銅層的作用是進一步降低表面電阻。

4. 2 預鍍

預鍍的目的是在泡沫表面獲得一層結晶細致、分布均勻的電鍍層，進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，邊緣出現裂痕，難以通過一些導向裝置，過低則會造成鍍層沉積不連續，出現較多的漏鍍，因此要求鍍液具備較高的均鍍和深鍍能力。另外，預鍍時采用恒壓控制，使鍍層均勻覆蓋，轉入平鍍區加厚時才改為恒流。

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，但其質量濃度大于400 g/L時鍍層硬度開始降低。在電鍍過程中，Fe2+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，得到的鍍層結晶細致、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，離子的擴散速率快，極化度小，電化學反應快，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，但生長速率慢，生產效率低。因此，選用40 °C為電鍍生產的溫度。

4. 4 熱處理的工藝條件

4. 4. 1 燒結溫度

采用電沉積法生產出的泡沫鐵脆性較大，燒結溫度過高會導致泡沫鐵由于從室溫到高溫的急劇變化而斷裂，嚴重影響產品的質量。生產實踐證明，經600 °C燒結后，泡沫鐵的質量不再減少。因此，實際生產中選擇600 °C為燒結溫度。

4. 4. 2 還原溫度

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

5 結語

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孔結構，骨架的中空彼此交連，孔隙率高達96% ～ 98%，體積密度僅為金屬鐵的 1/40，比表面積極大。全新的結構和優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，是電池生產廠家替代泡沫鎳、降低生產成本的首選。隨著應用領域的不斷擴展，泡沫鐵生產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效率、節能和清潔生產等方面仍需要進一步努力。

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，技術員，主要從事物理沉積和電化學沉積結合方面的研究。

作者聯系方式：(E-mail) yczjmzhj88@163.com。

[ 編輯：周新莉 ]