泡沫铝的制备及热处理过程的影响

王秋明， 王殿龙， 王 博

（哈尔滨工业大学 化工学院，黑龙江 哈尔滨150001）

0 前言

泡沫金属是一种由金属基体和气孔组成的新型材料。传统工程学认为，金属材料中孔洞的存在往往对材料的理化和力学性能产生不利影响。但当金属材料中的孔洞数量达到一定程度，并且分布均匀时，可在牺牲其强度等力学性能的同时，获得其他优越的性能［1-4］。泡沫金属具有密度小、耐蚀性强、电磁屏蔽性能高等优点，在冶金、建筑、电子电器、通讯设备等方面具有广泛的应用潜力。除此之外，泡沫金属在新兴的绿色能源产业中也具有举足轻重的意义，其作为集流体已广泛应用于镍氢电池中［5-6］，并成为锂离子电池现阶段的研究热点之一［7-9］。泡沫金属的三维网状结构具有较大的反应面积，从而可有效降低充放电过程中的极化，特别适用于锂离子动力电池。众所周知，金属铝在锂离子电池电解液中性能稳定，因而被广泛用于商品化锂离子电池正极集流体。本实验利用已商品化的泡沫镍材料作为基体，通过电沉积的方法制备泡沫金属铝。研究了热处理过程对材料性能的影响，为泡沫铝材料在锂离子动力电池中的应用提供了一定的研究基础。

1 实验

由于铝的标准电极电位比氢的负，因而无法在水溶液体系中电沉积得到铝［10-11］。本实验选用AlCl3-LiAlH4-四氢呋喃（THF）镀液体系进行电镀。其中AlCl3作为主盐，LiAlH4作为导电剂，THF作为溶剂，还需要附加溶剂苯。该镀液体系的具体配制方法如下：（a）LiAlH4＋THF，静置24h；（b）AlCl3＋THF＋苯，静置24h；（c）将溶液a加入溶液b中，静置10h，得到的溶液c即为镀液。由于AlCl3易吸收空气中的水分，LiAlH4在空气中易氧化，以上所有过程需在手套箱中进行［12］。

电镀装置采用单阴极／双阳极结构，电极连接铜-锡合金导线，导线穿过磨口玻璃塞和胶塞与外界电源导线相连接，玻璃塞磨口处涂一层凡士林，胶塞的穿孔处用环氧树脂密封，这样可保证密封效果。装置两侧设有进气口（以一定速率通入氩气）和出气口（连接干燥器），这样可保证电镀过程在氩气环境下进行，从而减缓镀液组成发生变化。电镀40 min，阳极为纯铝板，泡沫镍基体的表观尺寸为24 mm×50mm×1mm。前处理过程如下：

采用日立S-4700型扫描电子显微镜观察泡沫铝的微观形貌。XRD分析在日本理学电机公司生产的D／max-rB旋转阳极X射线衍射仪上进行，步长为0.02°，扫描范围为10°～100°。使用CHI 660B型电化学工作站测量泡沫铝的Tafel极化曲线。研究电极为泡沫镍极片（表观面积为10cm2），辅助电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极，测试体系为质量分数为3.5%的NaCl溶液。

2 结果与讨论

众所周知，镀层厚度随电流密度的增加而变大，同时镀层变得更加光亮、致密，但过高的电流密度也会使镀层发黑或烧焦［12］。除此以外，对于三维多孔基体来说，基体材料结构的复杂性使得过大的电流密度会严重影响镀层的均匀性。图1为空白泡沫镍基体和不同电流密度下制备的泡沫铝材料的SEM照片。

通过比较及结合泡沫铝剖面的SEM照片可知：当电流密度为0.45A／dm2时，制备的镀铝层最为均匀、致密，厚度约为10μm。电沉积得到的镀铝层局部仍存在应力开裂，镀层与基体结合力不好的问题，可通过热处理的方式进行改进。

图2为不同热处理温度下泡沫铝的SEM照片，热处理时间为1h，保护气氛为氩气。

图1 不同电流密度下制备的泡沫铝的SEM照片

图2 泡沫铝热处理前后的SEM照片

从图2可明显看出，热处理过程对镀铝层的影响十分明显。常温条件下得到的镀铝层结构较为粗糙，晶粒尺寸较大，镀层表面较为疏松。热处理之后，镀层的晶粒尺寸显著减小，结晶更加细致、均匀。主要原因为：热处理能够使金相原子受热而剧烈运动进行再结晶，冷却后金相原子的排列比热处理前的更加有序规整；同时镀层的内应力也得到一定程度的释放，使得镀层的均匀性得以提高。随着热处理温度的提高，镀层的晶粒尺寸逐渐变小，结晶越来越致密。但热处理温度过高时，镀铝层会与基体金属发生合金化反应，对镀层进行XRD测试，实验结果，如图3所示。由图3可知：450℃下热处理1h后，镀铝层中没有杂相生成；500℃下热处理1h后，泡沫镍基体上沉积的铝基本消失，镀铝层与镍基体的合金化产物为Al4Ni3和Al3Ni2。综上所述，确定最佳的热处理温度为450℃。

图3 不同温度下热处理1h后镀层的XRD图

图4为未经热处理的泡沫铝和450℃下热处理1h后得到的泡沫铝的Tafel极化曲线，对应的电化学腐蚀参数，如表1所示。由图4和表1可知：相对于未经热处理的泡沫铝，450℃下热处理1h后得到的泡沫铝的自腐蚀电位正移0.049V，自腐蚀电流密度下降一个数量级，耐蚀性有所提高。主要原因为：热处理后的镀铝层更加致密，基体与电解液的实际接触面积减少，有效地阻止了电解液对基体的腐蚀。

图4 泡沫铝热处理前后的Tafel极化曲线

对热处理前后的泡沫铝极片进行镀层结合力测试，利用辊压机将原厚度为1 500μm的极片滚压至600μm，极片的SEM照片，如图5所示。由图5可知：未经热处理的极片，镀层与基体的结合力较差，镀层脱落严重；450℃下热处理1h后得到的极片，镀层平整、均匀，未发生明显的脱落现象。

表1 电化学腐蚀参数

图5 热处理前后的泡沫铝滚压后的SEM照片

3 结论

利用泡沫镍作为基体，采用电沉积的方法制备泡沫铝。当电流密度为0.45A／dm2时，所得镀铝层最为均匀，镀层厚度约为10μm。热处理过程有效地改善了镀铝层的性能。与未经热处理的泡沫铝材料相比，450℃下热处理1h后得到的泡沫铝材料，其镀层晶粒尺寸显著减小，结晶更加细致、均匀，镀层与基体的结合力也显著提高。热处理后的泡沫铝材料的耐蚀性更加优异，腐蚀速率降低约一个数量级。

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