專利名稱：一種交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料加工領(lǐng)域，涉及一種泡沫金屬的制備方法，具體地說(shuō)是一種交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置及其制備方法。技術(shù)背景
泡沫金屬一般定義為一種金屬基體中含有一定數(shù)量、一定尺寸孔徑、一定孔隙率的金屬材料。它從結(jié)構(gòu)上可分為閉孔和開(kāi)孔兩種形式，前者內(nèi)部氣孔相互獨(dú)立，并且每個(gè)氣孔都是封閉的；后者具有連續(xù)貫通的三維多孔結(jié)構(gòu)，流體可以從中間流過(guò)。學(xué)術(shù)界對(duì)泡沫金屬的 “高孔隙率”還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)人將孔隙率大于80%的泡沫金屬稱為高孔隙率金屬材料。目前對(duì)泡沫金屬的研究和應(yīng)用越來(lái)越深入，總的看來(lái)這些技術(shù)方法均朝著高孔隙率、 結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能優(yōu)良的方向發(fā)展。除了作隔熱材料等少數(shù)用途在追求高孔率的同時(shí)還需要閉孔隙外，絕大多數(shù)應(yīng)用均是保證基本的強(qiáng)度使用要求的基礎(chǔ)上追求高孔隙率、高比表面積和高開(kāi)孔率，以使產(chǎn)品的使用性能達(dá)到最佳狀態(tài)，這就促成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料的大規(guī)模生產(chǎn)?，F(xiàn)在，三維網(wǎng)狀的高孔隙率金屬的應(yīng)用差不多覆蓋了原多孔金屬的所有應(yīng)用領(lǐng)域并有所拓寬，如用于各種過(guò)濾器、流體混合器、催化劑及其載體、消音材料、 電磁屏蔽材料等。泡沫金屬可通過(guò)許多方法來(lái)制備，各種方法適合的金屬材料有所不同，工藝過(guò)程也千差萬(wàn)別。按照金屬或合金在處理時(shí)的物理狀態(tài)可分為液相法、固相法、氣相法以及電沉積法等。液相法制備泡沫金屬過(guò)程中可以直接將氣體(如直接發(fā)泡法、氣體注入法)或發(fā)泡劑(如漿料發(fā)泡法)加入液態(tài)金屬中，待其冷卻泡沫金屬，也可以在固體填充材料中加入液態(tài)金屬，冷卻后將填充材料去除而成為泡沫金屬(例如熔模鑄造法)；固相法在制備時(shí)不用液態(tài)金屬而直接使用固態(tài)金屬粉末，通過(guò)控制壓力直接形成多孔金屬；氣相法是在真空下將金屬揮發(fā)成蒸氣后沉積在聚合物基體上形成金屬沉積層，再將聚合物去除得到泡沫金屬材料。電沉積法將金屬電鍍于聚合物泡沫基體上，然后去除聚合物泡沫基體而得到泡沫金屬。比較上述各種制備方法發(fā)現(xiàn)，液相法、氣相法、電沉積法在制造過(guò)程中需要引入輔助物質(zhì)(氣體、發(fā)泡金屬、聚合物基體等)、固相法則需要在高溫高壓下或真空狀態(tài)中進(jìn)行，工序繁瑣、成本高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置及其制備方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用該裝置采用集束噴嘴交叉電沉積法，在常溫常壓下，利用電解液定向沉積自組織生成泡沫金屬，可以直接成形所需要的形狀和尺寸。本發(fā)明操作方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的
一種交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置，其特征在于該裝置包括橫向集束噴嘴、縱向集束噴嘴、橫向陰極板、縱向陰極板和托板，所述橫向集束噴嘴與縱向集束噴嘴交叉布置并分別設(shè)置在托板的兩側(cè)；與橫向集束噴嘴和縱向集束噴嘴相對(duì)應(yīng)的橫向陰極板和縱向陰極板均設(shè)置在可上下移動(dòng)的托板上。本發(fā)明中，橫向集束噴嘴與縱向集束噴嘴成90度角垂直交叉設(shè)置在托板的兩側(cè)。在橫向陰極板設(shè)有與橫向集束噴嘴尺寸相對(duì)應(yīng)的電沉積槽；在縱向陰極板上設(shè)有與縱向集束噴嘴尺寸相對(duì)應(yīng)的電沉積槽。橫向陰極板和縱向陰極板均由石墨制成。所述橫向集束噴嘴和縱向集束噴嘴的子孔均可以直徑為1mm、相鄰孔距為1mm，設(shè)有20個(gè)孔。也可以橫向集束噴嘴和縱向集束噴嘴的子孔均直徑為2mm、相鄰孔距為2mm，設(shè)有10個(gè)孔。一種交叉電沉積制備泡沫金屬的方法，其特征在于該方法在常溫常壓下采用集束噴嘴交叉電沉積法，利用電解液定向沉積自組織生成泡沫金屬，具體步驟如下
1)電解液先從一側(cè)的橫向集束噴嘴的子孔中噴向?qū)?yīng)的橫向陰極板進(jìn)行定點(diǎn)沉積，此時(shí)電沉積具有選擇性，電解液到達(dá)的地方發(fā)生沉積，其他地方則不發(fā)生沉積，形成一層橫向柱狀沉積層；
2)向下移動(dòng)托板，將沉積層改變一個(gè)層厚，再采用縱向集束噴嘴向?qū)?yīng)的縱向陰極板進(jìn)行定點(diǎn)沉積，在原先的橫向柱狀沉積層上沉積形成縱向柱狀沉積層；
3)再次向下移動(dòng)托板，將沉積層改變一個(gè)層厚，采用橫向集束噴嘴向?qū)?yīng)的橫向陰極板進(jìn)行定點(diǎn)沉積，在原先的縱向柱狀沉積層上沉積形成橫向柱狀沉積層；
4)重復(fù)步驟2)和步驟3)，直至得到符合要求的泡沫金屬。本發(fā)明的基本原理如圖1所示，首先電解液先從橫向集束噴嘴的子孔中高速噴向橫向陰極板進(jìn)行定點(diǎn)沉積，此時(shí)電沉積具有選擇性，電解液到達(dá)的地方發(fā)生沉積，其他地方則不發(fā)生沉積，很容易形成一層很薄的柱狀沉積層。然后向下移動(dòng)托板，將沉積層降低一個(gè)層厚，再采用縱向集束噴嘴從另一個(gè)角度在原先的沉積層上沉積形成了新的一層。層層疊加后“堆積”成形了三維網(wǎng)狀的開(kāi)孔泡沫金屬。本發(fā)明中，在制備泡沫金屬銅時(shí)，電流密度保持90-100A/dm2，電解液溫度保持 30-40°C。制備泡沫金屬鎳時(shí)，電流密度保持110-120A/dm2，電解液溫度保持50_60°C。本發(fā)明中，金屬沉積層的孔隙率及孔分布可以通過(guò)集束噴嘴的子孔的大小和距離來(lái)有效控制，有效解決了現(xiàn)今泡沫金屬制備方法存在孔徑不一致，孔洞分布不均等問(wèn)題，此外，本方法的獲得的多孔結(jié)構(gòu)是由縱橫交叉的微型柱狀沉積層相互交叉堆積形成的，孔洞分布規(guī)則、有序，呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于工藝操作簡(jiǎn)單、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉；孔隙率和孔徑大小調(diào)整方便。得到的泡沫金屬具有幾乎粗細(xì)一致的連續(xù)貫通的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 缺口效應(yīng)低，應(yīng)力集中小，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度；具有良好的加工性能，可以彎曲、拉伸、切割。本發(fā)明在常溫常壓下進(jìn)行，完全利用電解液定向沉積自組織生成泡沫金屬，可以直接成形所需要的形狀和尺寸，提高了成形質(zhì)量和降低了制造成本，有著比較廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明中交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
泡沫銅制備。電解液配方硫酸銅150 200 g/L，98%濃硫酸30 45 g/L。一種交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置，該裝置包括橫向集束噴嘴1、縱向集束噴嘴 2、橫向陰極板11、縱向陰極板21和托板3。橫向集束噴嘴1和縱向集束噴嘴2形狀和尺寸相同，其中集束噴嘴子孔直徑為1mm、相鄰孔距為1mm，共20個(gè)孔。兩個(gè)集束噴嘴呈垂直放置，石墨做的橫向陰極板11和縱向陰極板21對(duì)應(yīng)置于其20mm處，橫向陰極板11和縱向陰極板21都固定在可以上下移動(dòng)的托板3上。一種采用交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置制備泡沫金屬的方法，該方法在常溫常壓下采用集束噴嘴交叉電沉積法，利用電解液定向沉積自組織生成泡沫金屬，具體步驟如下
首先將經(jīng)過(guò)加熱、控溫的電解液經(jīng)磁力泵和過(guò)濾器的加壓和過(guò)濾，電解液先從托板3 一側(cè)的橫向集束噴嘴1的子孔中噴向?qū)?yīng)的橫向陰極板11進(jìn)行定點(diǎn)沉積，最后流經(jīng)陰極板的電解液經(jīng)過(guò)回流管回到儲(chǔ)液槽中。此時(shí)電沉積具有選擇性，電解液到達(dá)的地方發(fā)生沉積， 其他地方則不發(fā)生沉積，形成一層橫向柱狀沉積層。電源接通后，金屬離子沉積在陰極板上，形成柱狀金屬銅。加工10分鐘后停止供電。然后通過(guò)控制系統(tǒng)將托板3向下降低1mm， 即下降一個(gè)層厚。將電解液再?gòu)目v向集束噴嘴2向?qū)?yīng)的縱向陰極板21進(jìn)行定點(diǎn)沉積，在原先的橫向柱狀金屬銅沉積層上沉積形成縱向柱狀金屬銅沉積層。沉積10分鐘后停止供電，再將托板3向下將1mm，然后電解液從橫向集束噴嘴1的子孔中噴向?qū)?yīng)的橫向陰極板 11進(jìn)行定點(diǎn)沉積，一直循環(huán)下去即可，直至得到符合要求的泡沫金屬。電沉積時(shí)，電流密度保持ΙΟΟΑ/dm2、電解液溫度保持35°C。實(shí)施例2
一種交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置，該裝置包括橫向集束噴嘴1、縱向集束噴嘴2、 橫向陰極板11、縱向陰極板21和托板3。橫向集束噴嘴1和縱向集束噴嘴2形狀和尺寸相同，其中集束噴嘴子孔直徑為2mm、相鄰孔距為2mm，共10個(gè)孔。兩個(gè)集束噴嘴呈垂直放置， 石墨做的橫向陰極板11和縱向陰極板21對(duì)應(yīng)置于其40mm處，橫向陰極板11和縱向陰極板21都固定在可以上下移動(dòng)的托板3上。泡沫鎳制備。電解液配方硫酸鎳100 150 g/L，氯化鎳3(T40g/L，硼酸20 30g/ L,十二烷基硫酸鈉0. Γ0. 2g/l。一種采用交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置制備泡沫金屬的方法，首先將經(jīng)過(guò)加熱、控溫的電解液經(jīng)磁力泵和過(guò)濾器的加壓和過(guò)濾，電解液先從托板3 —側(cè)的橫向集束噴嘴1的子孔中噴向?qū)?yīng)的橫向陰極板11進(jìn)行定點(diǎn)沉積，最后流經(jīng)陰極板的電解液經(jīng)過(guò)回流管回到儲(chǔ)液槽中。此時(shí)電沉積具有選擇性，電解液到達(dá)的地方發(fā)生沉積，其他地方則不發(fā)生沉積，形成一層橫向柱狀沉積層。電源接通后，金屬離子沉積在陰極板上，形成柱狀金屬鎳。 加工20分鐘后停止供電。然后通過(guò)控制系統(tǒng)將托板3向下降低2mm，即下降一個(gè)層厚。將電解液再?gòu)目v向集束噴嘴2向?qū)?yīng)的縱向陰極板21進(jìn)行定點(diǎn)沉積，在原先的橫向柱狀金屬鎳沉積層上沉積形成縱向柱狀金屬鎳沉積層。沉積20分鐘后停止供電，再將托板3向下將 2mm，然后電解液從橫向集束噴嘴1的子孔中噴向?qū)?yīng)的橫向陰極板11進(jìn)行定點(diǎn)沉積，一直循環(huán)下去即可，直至得到符合要求的泡沫金屬。
電沉積時(shí)，電流密度保持200A/dm2、電解液溫度保持55 °C。
權(quán)利要求
1.一種交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置，其特征在于該裝置包括橫向集束噴嘴(1)、 縱向集束噴嘴(2)、橫向陰極板(11)、縱向陰極板(21)和托板(3)，所述橫向集束噴嘴(1)與縱向集束噴嘴(2)交叉布置并分別設(shè)置在托板(3)的兩側(cè)；與橫向集束噴嘴(1)和縱向集束噴嘴(2 )相對(duì)應(yīng)的橫向陰極板(11)和縱向陰極板(21)均設(shè)置在可上下移動(dòng)的托板(3 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置，其特征在于橫向集束噴嘴(1)與縱向集束噴嘴(2)成90度角垂直交叉設(shè)置在托板(3)的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置，其特征在于在橫向陰極板(11)設(shè)有與橫向集束噴嘴(1)尺寸相對(duì)應(yīng)的電沉積槽；在縱向陰極板(21)上設(shè)有與縱向集束噴嘴(2)尺寸相對(duì)應(yīng)的電沉積槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置，其特征在于所述橫向集束噴嘴(1)和縱向集束噴嘴(2)的子孔均直徑為1mm、相鄰孔距為1mm，設(shè)有20個(gè)孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置，其特征在于所述橫向集束噴嘴(1)和縱向集束噴嘴(2)的子孔均直徑為2mm、相鄰孔距為2mm，設(shè)有10個(gè)孔。
6.一種權(quán)利要求1所述交叉電沉積制備泡沫金屬的方法，其特征在于該方法在常溫常壓下采用集束噴嘴交叉電沉積法，利用電解液定向沉積自組織生成泡沫金屬，具體步驟如下1)電解液先從一側(cè)的橫向集束噴嘴(1)的子孔中噴向?qū)?yīng)的橫向陰極板(11)進(jìn)行定點(diǎn)沉積，此時(shí)電沉積具有選擇性，電解液到達(dá)的地方發(fā)生沉積，其他地方則不發(fā)生沉積，形成一層橫向柱狀沉積層；2)向下移動(dòng)托板(3)，將沉積層改變一個(gè)層厚，再采用縱向集束噴嘴(2)向?qū)?yīng)的縱向陰極板(21)進(jìn)行定點(diǎn)沉積，在原先的橫向柱狀沉積層上沉積形成縱向柱狀沉積層；3)再次向下移動(dòng)托板(3)，將沉積層改變一個(gè)層厚，采用橫向集束噴嘴(1)向?qū)?yīng)的橫向陰極板(11)進(jìn)行定點(diǎn)沉積，在原先的縱向柱狀沉積層上沉積形成橫向柱狀沉積層；4)重復(fù)步驟2)和步驟3)，直至得到符合要求的泡沫金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的交叉電沉積制備泡沫金屬的方法，其特征在于制備泡沫金屬銅，電流密度保持90-100A/dm2，電解液溫度保持30-40°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的交叉電沉積制備泡沫金屬的方法，其特征在于制備泡沫金屬鎳，電流密度保持110-120A/dm2，電解液溫度保持50_60°C。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種交叉電沉積制備泡沫金屬的裝置及其制備方法，該裝置中橫向集束噴嘴與縱向集束噴嘴交叉布置并分別設(shè)置在托板的兩側(cè)；與橫向集束噴嘴和縱向集束噴嘴相對(duì)應(yīng)的橫向陰極板和縱向陰極板均設(shè)置在可上下移動(dòng)的托板上。該方法在常溫常壓下采用集束噴嘴交叉電沉積法，利用電解液定向沉積自組織生成泡沫金屬，電解液先從橫向集束噴嘴的子孔中噴向?qū)?yīng)的橫向陰極板進(jìn)行定點(diǎn)沉積，形成一層橫向柱狀沉積層；向下移動(dòng)托板，改變一個(gè)層厚，再采用縱向集束噴嘴向?qū)?yīng)的縱向陰極板進(jìn)行定點(diǎn)沉積，在原先的橫向柱狀沉積層上沉積形成縱向柱狀沉積層；一直循環(huán)直至得到符合要求的泡沫金屬。本發(fā)明操作方便、設(shè)備簡(jiǎn)單，得到的泡沫金屬性能好。
文檔編號(hào)C25C7/00GK102212848SQ20111011805
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者喬斌, 楊建明, 陳書法, 陳勁松 申請(qǐng)人:淮海工學(xué)院