碳骨架上改進的瓦特鍍液體系制備多孔鎳層

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 前言

從上世紀90年代開始，許多科研工作者在電沉積制備鍍層厚度小的多孔鎳方面做了許多工作，所用的鍍液主要是硫酸鹽體系的瓦特溶液[1-7]。聚氨醋泡沫的孔隙是五邊形窗的十二面體結構單元在三維空間分布，要在這樣的表面得到均勻的鍍層，要求鍍液有極好的分散能力和深鍍能力。本文以普通瓦特鍍液為基礎鍍液，并向其中加入配位劑（檸檬酸鈉）和光亮劑。采用改進的瓦特鍍液配方得到了厚度均勻、抗壓強度高的多孔鎳層。

1 實驗

1.1 實驗材料及工藝流程

首先，將軟質開孔聚醚型聚氨醋泡沫進行熱解處理得到優異碳骨架；然后，通過擴張粗化作用使碳骨架表面形成親水基團，同時增加其表面粗糙度；最后，采用電鍍的方法在碳骨架表面沉積鎳，以得到多孔鎳。

1.2 改進的瓦特鍍液配方及工藝條件

選用檸檬酸鈉作配位劑，以普通瓦特鍍液為基礎鍍液，改進的瓦特鍍液配方為：NiSO4·7H2O 300 g/L，NiCl2·6 H2O 40 g/L，H3BO340 g/L，十二烷基硫酸鈉0.3 g/L，光亮劑3 g/L，pH值4.0，溫度55℃。

選擇電流密度、電鍍時間、檸檬酸鈉的質量濃度進行三因素兩水平的正交試驗，得到配方一至配方四。通過對正交試驗結果進行分析得到最佳的因素水平組合，見配方五。

配方一：電流密度4 A/dm2，電鍍時間6 h，檸檬酸鈉30 g/L。

配方二：電流密度4 A/dm2，電鍍時間8 h，檸檬酸鈉9 g/L。

配方三：電流密度5 A/dm2，電鍍時間6 h，檸檬酸鈉9 g/L。

配方四：電流密度5 A/dm2，電鍍時間8 h，檸檬酸鈉30 g/L。

配方五：電流密度5 A/dm2，電鍍時間6 h，檸檬酸鈉30 g/L。

1.3 性能測試

（1）形貌

采用S-240型掃描電子顯微鏡觀察多孔碳骨架和多孔鎳的表面形貌、斷口平面和截面的微觀形貌、孔隙和孔徑等。

（2）成分

采用S-240型掃描電子顯微鏡附帶的X射線能量色散譜分析儀分析多孔鎳的成分。

（3）孔隙率

多孔材料的孔隙率是指開孔體積與多孔材料體積的百分比。由于多孔鎳是在碳骨架上電沉積制得的，所以在計算孔隙率時應減去碳骨架的孔隙率。

（4）壓縮性能

采用Instron-3365型萬能拉伸試驗機進行單軸壓縮性能測試。

2 結果與討論

2.1 多孔鎳層的表面形貌

圖1為采用不同配方制得的多孔鎳層的表面形貌（17×）。由圖1可知：采用配方一至配方四得到的多孔鎳在筋與筋相互連接處鎳層較厚。這是由多孔鎳自身筋的結構決定的。由于筋與筋相互連接的地方比較厚，距離陽極較近，導致電力線密度較為集中，出現了結瘤現象。由于配方五的分散能力較強，導致鍍層相對比較均勻，結瘤的情況比較少，整體上、筋上的鍍層分布都比較均勻。

圖1 采用不同配方制得的多孔鎳層的表面形貌（17×）

圖2為多孔鎳層在不同放大倍數下的表面形貌。由圖2（a）和圖2（b）可以看出：鍍層比較均勻，沒有出現堵孔的現象，也沒有五邊形窗體結構連接在一起的現象。表面上的筋與筋相互連接處的鍍層厚且圓整，筋處的鍍層較薄。由圖2（c）可以看出：鍍層表面比較平整、光潔，沒有樹枝結構、結瘤結構，鍍層表面有細小的孔（氫氣的溢出孔）。

圖2 多孔鎳層在不同放大倍數下的表面形貌

2.2 多孔鎳層的成分

圖3為采用配方五得到的多孔鎳層的能譜分析結果。鍍層表面主要成分及其質量分數為：鎳93.84%，氧1.27%，碳4.89%，沒有發現其他元素。氧的主要來源是表面氧化，碳的主要來源是碳骨架基體，多孔鎳層為純鎳。

圖3 采用配方五得到的多孔鎳層的能譜分析結果

2.3 多孔鎳層的孔隙率

原始碳骨架的孔隙率為93%。表1為采用不同配方得到的多孔鎳層的孔隙率。由表1可知：經過電沉積之后孔隙率減小了4%～8%，變化范圍在85.3%～89.7%之間?？梢酝ㄟ^控制電沉積工藝參數來精確地控制多孔鎳層的孔隙率。而多孔鎳層的機械性能與孔隙率有直接的關系，所以可以通過控制電沉積工藝參數對多孔鎳層的機械性能進行精確控制，這是粉末燒結制備的多孔材料所無法比擬的。

表1 采用不同配方得到的多孔鎳層的孔隙率

2.4 多孔鎳層的壓縮性能

圖4為采用不同配方得到的多孔鎳層的單軸壓縮應力-應變曲線。由圖4可知：五個試樣有兩種壓縮曲線的形態，說明具有兩種不同的變形機制。配方一至配方四的變形曲線和閉孔泡沫鋁的變形曲線比較接近。根據文獻[8]得出多孔鎳層的壓縮應力-應變曲線具有三個典型的階段---彈性階段、應力平臺階段、密實階段。但這三個階段沒有明顯的界限。圖4中曲線上變形開始時的較短直線區就是彈性階段，這個階段比較明顯，應變量小于5%，這和開孔泡沫鋁的壓縮曲線比較接近。應力平臺階段的曲線不是水平的，而是以一定的斜率上升，但應力平臺階段的斜率要明顯小于密實階段的斜率。在密實階段，應力隨應變的增加快速上升。

圖4 采用不同配方得到的多孔鎳層的壓縮應力-應變曲線

表2為采用不同配方得到的多孔鎳層的壓縮性能測試結果。由于工藝參數不同，所以鍍層的厚度和強度也不同。即使孔隙率接近，多孔鎳層的抗壓強度也不同。由表2可知：采用配方五得到的多孔鎳層的抗壓強度最大，為1.74 MPa。

表2 采用不同配方得到的多孔鎳層的壓縮性能測試結果

圖5 多孔鎳層單軸壓縮后斷口的微觀形貌

圖5為多孔鎳層單軸壓縮后斷口的微觀形貌。斷裂主要發生在筋相互連接的部位，不是所有的十二面體同時發生斷裂，十二面體的斷裂主要發生在整個多孔鎳層的中心區域[見圖5（a）]。變形后筋與筋有接觸的現象，而且斷口是三角形截面的筋在彎曲時變形的斷口[見圖5（b）]，有的筋還沒有完全斷開?？梢?，在變形的過程中，多孔材料發生了比較大的變形。由圖5（c）～圖5（e）可以看出，斷裂形式是彎曲斷裂，在拉應力的一側出現斷裂面，從斷口來看多孔鎳層分為兩層---碳骨架基體和碳骨架基體上的鍍鎳層。

3 結論

（1）確定了改進的瓦特鍍液配方及工藝條件為：NiSO4·7H2O 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 g/L，H3BO340 g/L，十二烷基硫酸鈉0.3 g/L，光亮劑3 g/L，檸檬酸鈉30 g/L，pH 值4.0，電流密度5 A/dm2，溫度55℃，時間6 h。

（2）在碳骨架上制得多孔鎳層。由于電流在碳骨架筋上分布的不均勻性，造成鍍層在筋與筋的連接處比較厚，而在筋上比較薄。多孔鎳層整體上比較均勻、平整光滑，全部覆蓋住了碳骨架基體。最佳配方制備的多孔鎳層的抗壓強度為1.71 MPa、彈性模量為0.054 GPa，表面質量良好。