專利名稱：可卷繞多孔鐵鎳合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多孔金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種可卷繞的多孔鐵鎳合金材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在鎳氫、鎳鎘堿性二次電池中使用的電極基板材料，正極普遍使用多孔鎳，負(fù)極使用多孔鎳或穿孔鍍鎳鋼帶。由于鎳資源在地球上的相對(duì)貧乏，鎳的成本又占多孔鎳的制造成本的80％以上，因此決定了多孔鎳的價(jià)格居高不下。為降低電池生產(chǎn)成本，人們努力尋求其他的廉價(jià)的多孔金屬材料來取代多孔鎳，如多孔鐵、多孔鐵基復(fù)合材料，以便完全或部分替代多孔鎳用于電池基板材料。
純多孔鐵材料在生產(chǎn)和質(zhì)量上至少有以下三個(gè)方面的缺點(diǎn)(1)在電鍍鐵的過程中，鍍層張應(yīng)力很大，容易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象；(2)產(chǎn)品的柔韌性極差，在連續(xù)化生產(chǎn)過程中無法實(shí)現(xiàn)卷繞收放卷，因此不可能制得連續(xù)化帶狀的多孔鐵產(chǎn)品，只能制成塊狀或片式，因此不能滿足電池材料中連續(xù)化拉漿的工藝要求，同時(shí)也影響材料在圓形電池領(lǐng)域中的應(yīng)用；(3)耐腐蝕性能和耐氧化性能差，不利于工業(yè)上長時(shí)間的保存、運(yùn)輸和使用，由于多孔鐵材料對(duì)腐蝕敏感，在濕法生產(chǎn)和貯運(yùn)過程中常常受到嚴(yán)重的腐蝕，給材料的進(jìn)一步加工帶來不便，甚至無法使用。上述這些缺點(diǎn)使多孔鐵材料在工業(yè)上的實(shí)用性大大降低，在電池中的應(yīng)用在技術(shù)上存在著許多問題。
北京有色金屬研究總院在“一種復(fù)合多孔金屬及其制備方法”(公開號(hào)為CN1355097A)專利公開文本中，公開了復(fù)合多孔金屬材料的制備方法，該方法是先將多孔材料制備導(dǎo)電層，采用電鍍的方法沉積一種金屬，然后再在第一層金屬的表面沉積另一種金屬，最后經(jīng)過熱處理形成復(fù)合多孔金屬材料。我們嘗試采用該方法來制備鐵基多孔鎳復(fù)合材料，即以多孔鐵為基體，再鍍覆鎳。但由于鐵和鎳兩種金屬的物理性能差別較大，在兩個(gè)不同的金屬鍍層之間存在較大的應(yīng)力，因此在電鍍過程中鍍層容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，經(jīng)過隨后的還原熱處理，鐵基多孔鎳復(fù)合材料的柔韌性極差，只能達(dá)到1～2次。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種價(jià)格低廉、工藝性能優(yōu)良、耐蝕性強(qiáng)、柔韌性良好、對(duì)電池連續(xù)化生產(chǎn)適應(yīng)性好的可卷繞多孔鐵鎳合金材料及其生產(chǎn)工藝，該材料產(chǎn)品規(guī)格(如長度、厚度、孔數(shù)、孔隙率、面密度等)和產(chǎn)品性能(如抗拉強(qiáng)度、柔韌性、耐蝕性等)均能適應(yīng)電池的生產(chǎn)工藝，可替代傳統(tǒng)使用的多孔鎳材料，制作鎳氫、鎳鎘堿性電池的電極基板，為克服現(xiàn)有鎳資源貧乏、多孔鎳成本價(jià)格高的問題提供了一個(gè)較好的解決方案，有效降低電池生產(chǎn)的直接材料成本。此外，在多孔金屬的其它應(yīng)用領(lǐng)域，如高溫過濾介質(zhì)、集熱、散熱材料、電磁屏蔽材料、催化劑載體材料等，采用本發(fā)明的多孔鐵鎳合金材料，也能有效地降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的可卷繞多孔鐵鎳合金材料，呈三維或二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由金屬鐵和鎳構(gòu)成骨架，鍍覆金屬量為300～600g/m2，多孔鐵鎳合金材料中金屬鎳的質(zhì)量百分比為30～50％，鐵為余量，材料呈塊狀或連續(xù)化帶狀，厚度為1.0～3.0mm，寬度為50～1500mm，材料的縱向柔韌性為4～15次，橫向柔韌性為12～35次，縱向抗拉強(qiáng)度為2.0～5.0N/mm2，橫向抗拉強(qiáng)度為1.5～3.5N/mm2。
制備這種多孔鐵鎳合金材料的生產(chǎn)工藝扼要介紹如下待鍍基材可以采用以下幾種有機(jī)多孔基材中的一種聚氨酯海綿、無紡布、棉布或化纖織物、纖維網(wǎng)。
采用生產(chǎn)常規(guī)多孔金屬的電沉積方法，包括膜芯導(dǎo)電化-電鍍-熱處理三個(gè)過程。首先是采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何一種，包括化學(xué)鍍鎳、真空鍍鎳以及涂覆導(dǎo)電粒子等，對(duì)待鍍基材進(jìn)行導(dǎo)電化；導(dǎo)電化后的基材在整體電鍍槽中一步完成鎳鐵合金電鍍，電鍍?nèi)芤翰捎肗iSO4-FeCl2合金電鍍體系，鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在45～80g/L之間，Ni2+與Fe2+的質(zhì)量濃度之比在2.5～4.0之間，糖精的濃度為3～6g/L，溫度為40～60℃，控制電流密度在8～15A/dm2，鍍覆時(shí)間與所要求的金屬鍍覆量成正比；最后電鍍半成品在氫氣還原氣氛中進(jìn)行熱處理，溫度為900～940℃，以去除基材，得到多孔鐵鎳合金材料成品。
與現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢1.耐腐蝕性好。分別將大小為10cm×10cm、鍍覆金屬量為420g/m2(該鍍覆金屬量是多孔金屬用于電池極板材料時(shí)的常規(guī)要求)的多孔鐵、本發(fā)明的多孔鐵鎳合金、以及多孔鎳同時(shí)置于常溫常壓下相同的自然室內(nèi)環(huán)境中，考察其自然銹蝕的程度，結(jié)果如表1表1 不同多孔金屬材料自然銹蝕程度

從表1中可看出本發(fā)明的多孔鐵鎳合金的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于多孔鐵，而與多孔鎳的耐蝕性能相當(dāng)；本發(fā)明由于在電鍍過程中鎳和鐵形成共沉積，以合金形式同時(shí)鍍覆在多孔基材表面，可大大提高耐腐蝕的程度，解決了純多孔鐵材料腐蝕嚴(yán)重，不利于工業(yè)上長時(shí)間的保存、運(yùn)輸和使用的難題。
2.物理性能優(yōu)良。實(shí)驗(yàn)證明多孔鐵鎳合金材料的金屬骨架中，含鎳量與產(chǎn)品物理性能的優(yōu)劣有著密切的關(guān)系，含鎳量在一定范圍內(nèi)才能保證多孔鐵鎳合金材料有著高柔韌性和高強(qiáng)度等物理性能，金屬骨架中含鎳量低于30％時(shí)，材料柔韌性極差；高于50％時(shí)，材料抗拉強(qiáng)度和電性能下降，且隨著鎳含量的上升，材料成本亦隨之上升。本發(fā)明的多孔鐵鎳合金材料在生產(chǎn)過程中主要通過調(diào)整合金電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度以及兩種離子濃度的比值，使Ni2+和Fe2+的總濃度在45～80g/L之間，Ni2+與Fe2+的質(zhì)量濃度之比在2.5～4.0之間，使制備的材料中鎳的質(zhì)量百分比為30～50％，由此生產(chǎn)出來的多孔鐵鎳合金的物理性能達(dá)到甚至超過了常規(guī)多孔鎳的物理性能，在各應(yīng)用領(lǐng)域替代多孔鎳的潛力很大。
表2是本發(fā)明的多孔鐵鎳合金材料與常規(guī)多孔鎳材料在相同測試條件下，采用相同的測試方法而得到的各項(xiàng)物理性能和產(chǎn)品規(guī)格的比較。其中抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率檢測按GB/T228-2002的規(guī)定進(jìn)行；柔韌性的檢測方法為將材料試樣固定于直徑為25mm的兩光滑圓管之間，并使圓管軸心到伸出的泡沫鎳頂端的距離固定為50mm，然后按住伸出的材料，用力均衡緩慢地緊貼圓管表面，沿光滑圓管按左右方向連續(xù)交替卷繞，卷繞次數(shù)左右兩個(gè)方向各算一次，直至材料試樣表面任何一處出現(xiàn)1mm的可見裂紋，停止卷繞，記錄卷繞次數(shù)。
表2 物理性能和規(guī)格比較 從表2中可發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的多孔鐵鎳合金材料由于控制了材料金屬骨架中含鎳量，使其維持在30～50％之間，因此材料的柔韌性和抗拉強(qiáng)度已經(jīng)明顯接近甚至超過多孔鎳的相應(yīng)指標(biāo)值，而其它物理性能與之相當(dāng)，完全可以替代多孔鎳應(yīng)用于電池極板、高溫過濾介質(zhì)、集熱、散熱材料、電磁屏蔽材料、催化劑載體材料等相關(guān)行業(yè)。
3.與多孔鐵只能生產(chǎn)片狀不同，本發(fā)明的多孔鐵鎳合金由于具有優(yōu)良的柔韌性，因此，多孔鐵鎳合金不僅可以呈塊狀，而且還可以呈連續(xù)化帶狀，生產(chǎn)中可卷繞收卷，產(chǎn)品長度在理論上可達(dá)無限長。附圖1是一卷本發(fā)明的多孔鐵鎳合金產(chǎn)品的照片圖，它清楚地反映了這一優(yōu)點(diǎn)。由于可以卷繞收卷，呈連續(xù)化帶狀，因而在生產(chǎn)中可采用自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率，而且也能滿足電池材料中連續(xù)化拉漿的工藝要求，同時(shí)也可以適應(yīng)圓形電池中對(duì)基板柔韌性的要求。
4.成本低。金屬鎳資源在地球上相對(duì)貧乏，價(jià)格明顯較金屬鐵高，而金屬的成本又占多孔金屬的制造成本的80％以上，因而多孔鎳價(jià)格長期居高不下。而本發(fā)明的多孔鐵鎳合金50～70％的有色金屬鎳被普通金屬鐵替代，因此不僅可大大降低生產(chǎn)成本，而且可以有效節(jié)約有色金屬資源。相同鍍覆金屬量的多孔鐵鎳合金與多孔鎳相比，每平方米可節(jié)約成本10～15元，由此表明了本發(fā)明的多孔鐵鎳合金在替代多孔鎳時(shí)具有很強(qiáng)的市場競爭優(yōu)勢。
5.由于生產(chǎn)連續(xù)化帶狀多孔鐵鎳合金的工藝與常規(guī)多孔鎳生產(chǎn)工藝類似，采用合金電鍍工藝，電鍍能夠一步完成，電鍍設(shè)備可采用如實(shí)用新型專利“連續(xù)化帶狀多孔鎳整體電鍍槽”(專利號(hào)CN98230333.5)所公開的設(shè)備，因而現(xiàn)有的生產(chǎn)多孔鎳的生產(chǎn)設(shè)備不需要經(jīng)過任何改造就可以直接生產(chǎn)本發(fā)明所述的材料，不但可節(jié)約設(shè)備改造等相關(guān)費(fèi)用，而且可隨時(shí)投入實(shí)際生產(chǎn)。


經(jīng)卷繞的連續(xù)化帶狀多孔鐵鎳合金產(chǎn)品照片圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
采用常規(guī)電沉積法生產(chǎn)連續(xù)化帶狀多孔鐵鎳合金，先通過化學(xué)鍍鎳、真空鍍覆、涂覆導(dǎo)電層等方式中的一種，對(duì)聚氨酯海綿基材導(dǎo)電化，導(dǎo)電化后的海綿在整體電鍍槽中一步電鍍鐵鎳合金，采用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在50～55g/L，Ni2+濃度與Fe2+濃度之比在3.1～3.3，糖精濃度為3～6g/L，最后在氫氣還原氣氛中，對(duì)電鍍后的半成品熱處理，熱處理溫度為900～950℃，去除海綿基材，得到多孔鐵鎳合金產(chǎn)品。
經(jīng)上述工序所得產(chǎn)品呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鍍覆金屬量為420～450g/m2，產(chǎn)品中鎳的質(zhì)量百分比為38～40％，鐵為余量；柔韌性縱向?yàn)?～12次，橫向?yàn)?5～30次；縱向抗拉強(qiáng)度3.0～3.5N/mm2，橫向抗拉強(qiáng)度1.8～1.95N/mm2，產(chǎn)品的孔數(shù)為110PPI，孔隙率≥95％。
實(shí)施例2采用常規(guī)電沉積法生產(chǎn)連續(xù)化帶狀多孔鐵鎳合金，先通過化學(xué)鍍鎳、真空鍍覆、涂覆導(dǎo)電層等方式中的一種，對(duì)無紡布基材導(dǎo)電化，導(dǎo)電化后的無紡布在整體電鍍槽中一步電鍍鐵鎳合金，采用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在60～70g/L，Ni2+濃度與Fe2+濃度之比在2.5～2.8，糖精濃度為3～6g/L，最后在氫氣還原氣氛中，對(duì)電鍍后的半成品熱處理，熱處理溫度為900～950℃，去除無紡布基材，得到多孔鐵鎳合金產(chǎn)品。
經(jīng)上述工序所得產(chǎn)品呈二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鍍覆金屬量為480～550g/m2，產(chǎn)品中鎳的質(zhì)量百分比為30～33％，鐵為余量；柔韌性縱向?yàn)?～8次，橫向?yàn)?5～20次；縱向抗拉強(qiáng)度4.5～5N/mm2，橫向抗拉強(qiáng)度3.2～3.5N/mm2；產(chǎn)品的孔數(shù)為80PPI。
實(shí)施例3采用常規(guī)電沉積法生產(chǎn)連續(xù)化帶狀多孔鐵鎳合金，先通過化學(xué)鍍鎳、真空鍍覆、涂覆導(dǎo)電層等方式中的一種，對(duì)纖維網(wǎng)基材導(dǎo)電化，導(dǎo)電化后的纖維網(wǎng)基材在整體電鍍槽中一步電鍍鐵鎳合金，采用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在65～80g/L，Ni2+濃度與Fe2+濃度之比在3.7～4.0，糖精濃度為3～6g/L，最后在氫氣還原氣氛中，對(duì)電鍍后的半成品熱處理，熱處理溫度為900～950℃，去除纖維網(wǎng)基材，得到多孔鐵鎳合金產(chǎn)品。
經(jīng)上述工序所得產(chǎn)品呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鍍覆金屬量為560～600g/m2，產(chǎn)品中鎳的重量百分比為46～49％，鐵為余量；產(chǎn)品的柔韌性縱向?yàn)?2～15次，橫向?yàn)?0～35次；縱向抗拉強(qiáng)度2.0～2.8N/mm2，橫向抗拉強(qiáng)度1.5～1.8N/mm2孔數(shù)為140PPI。
實(shí)施例4采用常規(guī)電沉積法生產(chǎn)連續(xù)化帶狀多孔鐵鎳合金，先通過化學(xué)鍍鎳、真空鍍覆、涂覆導(dǎo)電層等方式中的一種，對(duì)棉布導(dǎo)電化，導(dǎo)電化后的棉布在整體電鍍槽中一步電鍍鐵鎳合金，采用NiSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在45～48g/L，Ni2+濃度與Fe2+濃度之比在3.0～3.2，糖精濃度為3～6g/L，最后在氫氣還原氣氛中，對(duì)電鍍后的半成品熱處理，熱處理溫度為900～950℃，去除棉布基材，得到多孔鐵鎳合金產(chǎn)品。
經(jīng)上述工序所得產(chǎn)品呈二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鍍覆金屬量為420～450g/m2，產(chǎn)品中鎳的質(zhì)量百分比為34～36％，鐵為余量；產(chǎn)品的柔韌性縱向?yàn)?～10次，橫向?yàn)?5～30次；縱向抗拉強(qiáng)度3.8～4.2N/mm2，橫向抗拉強(qiáng)度2.5～2.8N/mm2，產(chǎn)品的孔數(shù)為50PPI。
權(quán)利要求
1.一種可卷繞多孔鐵鎳合金材料，其特征在于材料呈三維或二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由金屬鐵和鎳的合金構(gòu)成骨架，金屬鎳的質(zhì)量百分比為30～50％，鐵為余量。
2.如權(quán)利要求1所述的可卷繞多孔鐵鎳合金材料，其特征是材料的縱向柔韌性為4～15次，橫向柔韌性為12～35次。
3.如權(quán)利要求1所述的可卷繞多孔鐵鎳合金材料，其特征是材料的縱向抗拉強(qiáng)度為1.5～5.0N/mm2，橫向抗拉強(qiáng)度為1.0～3.5N/mm2。
4.一種可卷繞多孔鐵鎳合金材料的生產(chǎn)工藝，包括膜芯導(dǎo)電化—電鍍—熱處理三個(gè)步驟，其中電鍍?nèi)芤翰捎肗iSO4-FeCl2合金電鍍體系，電鍍液中Ni2+和Fe2+的總濃度在45～80g/L之間，其特征在于采用一步電鍍同時(shí)沉積金屬鎳和鐵，電鍍液中Ni2+質(zhì)量濃度與Fe2+質(zhì)量濃度之比在2.5～4.0之間。
5.如權(quán)利要求4所述的可卷繞多孔鐵鎳合金材料的生產(chǎn)工藝，其特征在于所述的膜芯采用以下幾種有機(jī)多孔基材中的一種聚氨酯海綿、無紡布、棉布、纖維布、化纖織物和纖維網(wǎng)。
全文摘要
一種可卷繞的多孔鎳鐵合金材料及其制備方法，采用合金電鍍法，一步電鍍鐵和鎳，使鐵和鎳以合金形式沉積于經(jīng)導(dǎo)電化處理后的非金屬基材表面，控制電鍍?nèi)芤褐袃煞N金屬離子的總量和比例，由此得到的材料由鎳和鐵構(gòu)成材料的金屬骨架，含鎳量在30％～50％之間，其余為鐵，材料的柔韌性和抗拉強(qiáng)度等其他物理和力學(xué)性能與多孔鎳相當(dāng)。本發(fā)明的材料，成本低、制作工藝與現(xiàn)有工藝條件匹配性好，廣泛應(yīng)用于電池極板、催化劑載體、高溫過濾介質(zhì)等領(lǐng)域，是替代傳統(tǒng)多孔鎳材料的理想材料。
文檔編號(hào)C22C1/08GK1651614SQ20041002287
公開日2005年8月10日 申請日期2004年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月6日
發(fā)明者鐘發(fā)平, 陶維正, 董新榮 申請人:長沙力元新材料股份有限公司