生产具有均匀微孔结构的金属泡沫的方法

专利名称：生产具有均匀微孔结构的金属泡沫的方法
技术领域：
本发明总的涉及泡沫的生产，具体地涉及基本上具有各向同性特性 覆以微孔金属的泡沫的生产。
背景技术：
在许多工业和商业应用中使用覆以微孔金属的泡沫电池极板、燃 料电池元件、过滤器、污染控制设备、催化剂支承、音频元件等。
下层的微孔结构对于泡沫的特性通常是关键。重复的微孔基体的三 维形状影响泡沫的功 肯b。
泡沫典型地有开放微孔或封闭微孔的变化。使用不同的制造技术以
生产每一型式。对于镍金属氢化物("NiMH")和镍镉(NiCd)电池中 的电极主要使用覆盖开放微孔镍的泡沫。除去小消费品电池的大量生产 外，大型NiMH电池是混合电动车辆("HEV")的关键部件。镍泡沫的 微孔结构影响电池的功能；特别是在HEV电池应用中。泡沫微孔的不均 匀尺寸、形状和方位导致镍的不均匀厚度、泡沫的导电性、有效质量负 荷和单个电池的电化学性能。这转而将给出某些电池的不同性能特性(容 量、阻抗、时效率)并最终将造成通常包含200个电池的大型电池组件 的过早损坏。
借助于电镀或化学蒸发沉积通过采用作为模板的聚氨酯("PU") 泡沫衬底的微孔结构生产镍泡沫。在电镀的情况中，需要PU泡沫衬底的 适当预处理以使该泡沫导电。在镍沉积之后，实施烧结以去除聚氨酯衬 底，保留安排成初始三维框架的镍支承。因而，在生产具有均匀微孔结 构的优质镍泡沫中聚合物衬底的均匀微孔结构是关键。
通常将初始开放微孔聚氨酯泡沫的结构描述成五角形的十二面体， 该五角形十二面体具有在聚氨酯结构中发现的12个5个側面(偶尔为4 或6侧面)的微孔。使用目前的技术，观察到在聚氨酯微孔结构中存在 几何的各向异性，在形成泡沫的过程中平行和垂直泡沫升起的方向。由 于重力，接近泡沫块(也称为厚饼或厚板)的底部的微孔比较小且更球 形，因而块的上部中的微孔^^皮垂直地拉长和较大。图1和2表示现有技 术的泡沫几何各向异性的图像，分别平行和垂直泡沫升起的方向。也可参阅美国专利6383687。
目前在商业镍泡沫生产中，广泛使用旋转剥离聚氨酯泡沫作为镍沉 积的基底。通过首先将泡沫厚板切成矩形块剥离聚氨酯泡沫。在弧形边 缘修整和分成小格之后通过紧靠锐利刀片的旋转动作剥离最终的泡沫巻 以生产厚度为几毫米薄片。
参阅V. Paserin等人的"优质镍泡沫的生产从原材料质量控制开 始，，的图5，该文在由H. Nakajima和N. Kanetake主编的金属泡沫，2005 年9月21-23日317-320页的"多孔金属和金属泡沫形成4支术"中，由 日本金属学会出版(此后用"V.Paserin"代表)，此文总体用图和文字 描述金属泡沫，特别是旋转剥离。
在旋转剥离的过程中，由于刀的位置是沿着泡沫巻的周边，形成的 泡沫薄片具有从"平行，，方向的圆形微孔结构(即与泡沫升起的方向平 行或形成泡沫时的水平位置)，和从"垂直"方向的椭圓微孔结构(垂 直泡沫升起的方向或在形成泡沫时的垂直位置)，防止不希望的断续的 微孔结构变化。在薄片上，当亮和暗带包含不同尺寸、形状和方位的微 孔时这些不均匀性是可见的。当使用这种泡沫作为镍泡沫生产的基底时， 就产生周期的密度干扰图型，当用作电池极板时负面影响材料的应用功 能。见V. Paserin的图8和9。同样影响从旋转剥离聚合物泡沫生产的 金属泡沫的其它重要特性导电性、拉伸强度和延伸率的周期变化。
薄片聚氨酯泡沫生产的一另一种型式是"环状切开"方法。环状切 开的示意表示如图4所示。通过将长(典型的为60米)的聚氨酯板28 的两端在结合处胶合在一起形成大的泡沫环24。然后通过驱动皮带44 在方向34旋转该环24并由环切开机械中的刀30沿板的表面切开如图4 中示意所示以连续地形成平面的薄片46，然后将该薄片巻绕成要求厚度 的巻32。
环切开泡沫基底具有比旋转剥离泡沫更均匀的微孔结构。这是因为 仅在"垂直，，方向(在形成泡沫时的水平方向)切割泡沫所以所有的微 孔基本上是圓形同时其尺寸仅緩慢变化并超过生产的泡沫薄片的数百 米。V. Paserin的图8表示环切开泡沫的纵向密度的分布。它比旋转剥离 泡沫更一致。也参考日本专利JP 9153365。但是，大环24的切开需要复 杂的控制机械。
然而，大多数覆以金属的泡沫的生产者使用旋转剥离技术因为该泡沫可以通过火焰爆炸方法分成小格。在形成泡沫之后将聚合物厚板切成 泡沫块，小到足以在耐压罐中分成小格。然后核心化分成小格的泡沫并旋转剥离如V. Paserin中图5所示。许多泡沫既可化学地或热地分成小格以消除局部化的内障碍。除去 剩余的内膜并弄圓微孔支承的边缘以在微孔壁中产生更大和更光滑的开 口。相邻微孔之间的开口 (窗户)比微孔直径小很多同时其尺寸和均匀 性在许多要求的应用中，特别是电池，是关键。很好地分成小格的具有 窄支承和微孔之间的大开口的泡沫将改善粘贴活化质量并生产比不良地 分成小格的具有小窗户的泡沫更大容量和高功率的电池。优选用热(火焰)方法将泡沫分成小格。此方法通过减少支承的横 截面产生微孔之间的最大的开口而不放弃泡沫的强度。热分成小格涉及 将泡沫放入耐压罐中、将耐压罐抽直空并以爆炸氧/氢混合物填充其中。 混合物点火之后，爆炸的火焰前沿迅速穿过泡沫并同时熔化剩余的薄膜 和支承的薄边缘。该火焰前沿弄圓支承的边缘并扩大微孔。支承之间的开口被适当地 增力口。图5A表示典型的未分成小格的被开口 A分开的微孔支承36和38。 图5B表示典型的热分成小格的孔支承40和42,该支承更圆滑并被较大 开口 B分开。火焰前沿的分成小格的泡沫对于金属化和在泡沫结构内镀镍或任何 其它金属是更易处理的。因而，镀金属的泡沫具有增强的机械强度和对 于电池应用的优化几何构架。更特别地，以上参考的日本专利JP 9153365提到镀镍泡沫的微孔尺 寸的不希望的断续变化可能通过环剥离方法而减少。可惜的是，传统的工业标准尺寸的聚合物厚板，典型的是60米长， 是太大了以致放不进耐压罐。在环剥离之前它不能用火焰方法分成小格。 因而，由日本专利JP 9152365建议的环切开方法不包括热(火焰)分成 小格同时不相信对于要求火焰分成小格的镀金属的泡沫基底的高级电池 是有用的。由于对指定用于环剥离适当分成小格的典型60米长泡沫块的不可 能，现今用于电池应用生产的几乎所有的镍泡沫是旋转剥离的泡沫。但 是，如提示的，旋转剥离的泡沫受以下限制泡沫密度、导电性、强度和跨越泡沫厚度的镀层密度的不可避免的周期变化。 发明内容提供一种生产具有基本上均匀微孔结构的金属泡沫的方法。所需长 度的聚合物泡沫厚板沿纵向板表面用水平切刀在水平切开设备中被切开 到要求的厚度。形成的薄片可以彼此端对端地相连以增加其有效长度同 时不论怎样典型地被巻绕。另外可以在环切开设备中进行水平的切开， 生产巻绕的长薄片类似于通过结合由水平切开设备制成的较短薄片。在 任何情况，巻或绕的薄片经受热分成小格然后通过化学蒸发沉积、通过 电沉积(之前通过适当的处理以使泡沫足够地导电)或通过其它金属沉 积方法镀覆。最终形成的金属泡沫基本是均匀的具有 一致的和要求的特 性。


图1是传统的金属泡沫平行于泡沫隆起的方向的显微照相。图2是传统的金属泡沫垂直于泡沫隆起的方向的显微照相。图3是水平切开设备的透视示意图。图4是现有技术的平面视图的环切开设备的示意表示。图5A是未分成小格的泡沫支承的示意表示。图5B分成小格的泡沫支承的示意表示。图6是曲线表示本发明的实施例。
具体实施方式
本发明的一个目的是为生产具有均匀微孔结构的镀金属的泡沫。该 金属泡沫具有面积密度的一致的分布、控制的金属支承厚度、和均匀的 机械与电特性，诸如拉伸强度、延伸率和导电性。参照图3，要求的长度、宽度和高度的聚合物，优选聚氨酯，泡沫厚 板(板)10由水平切开设备12沿上纵向板表面14切开。该泡沫板10反复地在切割器床16上往复运动以从水平纵向板表面 14切开并抬起预定厚度的平面泡沫薄片20。刀18切开板10以产生泡沫 薄片20。该泡沫薄片20被输送到设备12的储存部分22。側面修整器46 保持正确的泡沫板10的宽度。如果希望，可以用刀片、加热的表面、或 技术人员已知的类似装置(未表示)切短泡沫薄片20。水平切开的泡沫薄片20基本上是巻起的。在巻起之前单个的泡沫薄 片20可以在其端部用热压或用粘结剂结合以产生较长的泡沫薄片20。然后水平切开的泡沫巻加以分成小格——以产生完全开放的微孔泡沫结构 和基底。对于较好的支承结构，当处理料巻时优选使用热(火焰)分成小格。参照图5B。此外，为了克服与大的水平切开设备12相关的潜在尺寸问题， 一或 多个泡沫薄片20的相对端部可以彼此粘结以形成环24。然后该环24可 以进行通常的环切开如图4所示。然后初始通过水平切开(20)与结合 或通过环剥离(46)制成的最终平面泡沫薄片可以进行巻绕、热分成小 格、展开、镀金属和切成预定的尺寸。本方法利用沿着巻10的纵向巻(板)表面14的水平切开造成在纵 向的良好的均匀微孔结构。其实，最终形成的水平切开泡沫的分析显示与由环切开形成的类似 的均匀微孔结构。图6表示根据本发明的水平切开方法制成的镍泡沫典 型的纵向密度分布。水平切开不局限于上纵向巻表面14。尽管水平切开沿泡沫巻10的下 面出现，但类似的方法将导致相同要求的泡沫板20。类似地，由长巻(板) 形成的环24可以用面向外或向内形成泡沫巻的初始上面制成。然后分成小格的泡沫薄片20通过化学蒸发沉积、电镀、或非电子镀 覆技术镀镍以产生具有均匀微孔结构的镀镍泡沫。沉积技术包括，但不 局限于，金属碳基化物分解、溅镀、热蒸发等。其它金属，如铜、铬、 钴、铀、钇、铑、银、金、铁等，也可镀在泡沫薄片上。可以使用镀膜泡沫薄片于生产，或可被热处理，典型地通过烧结， 以除去内聚合物结构同时以稳定金属镀膜。如前述，可以在许多应用中 使用这些镀膜的泡沫。在电池的情况中，镀金属的泡沫被渗透电池活化 物质糊以提供适当的电极。尽管根据规定的装置，此处表示并描述了本发明的特定实施例。但 技术人员应理解由权利要求包括的本发明的形式可以变化同时有时可使 用本发明的某些特征而不^f吏用其它特征。
权利要求
1.一种生产镀金属的泡沫的方法，该方法包括a)提供具有至少一个水平纵向表面的聚合物泡沫；b)切割水平纵向表面以形成已知厚度的平面泡沫落片；及c)用金属镀该平面泡沫落片。
2、 根据权利要求l的方法，包括巻绕平面泡沫薄片。
3、 根据权利要求l的方法，包括将平面泡沫薄片切成小格。
4、 根据权利要求3的方法，包括将平面泡沫薄片热切成小格。
5、 根据权利要求2的方法，包括展开巻绕的平面泡沫薄片。
6、 根据权利要求l的方法，包括将平面泡沫落片的端部环结到一起 以形成泡沫环。
7、 根据权利要求6的方法，其中切开泡沫环以形成泡沫薄片。
8、 根据权利要求7的方法，其中巻绕泡沫薄片并分成小格。
9、 根据权利要求l的方法，包括将二或更多个平面泡沫薄落片的端 部粘结在一起以形成较长的平面泡沫板。
10、 根据权利要求l的方法，其中聚合物泡沫由聚氨酯制成。
11、 根据权利要求l的方法，其中使用从至少一组包括化学蒸发沉 积、电镀、和非电子镀覆中选择的方法对平面泡沫薄片镀覆。
12、 根据权利要求10的方法，其中化学蒸发沉积方法是从至少包括 金属碳基化物分解、溅积、和热蒸发一组中选择。
13、 根据权利要求l的方法，其中金属是从至少包括镍、铜、铬、 钴、钿、钇、铑、银、金和铁的一组中选择。
14、 一种生产镀金属的泡沫的方法，该方法包括 a)提供具有至少一个纵向表面的聚合物泡沫巻。b )切割水平纵向表面以形成已知厚度、宽度和长度的平面泡沫薄片，c) 巻绕平面泡沫落片以形成泡沫巻，d) 将巻绕的平面泡沫切成小格，e) 展开分成小格的巻绕的平面泡沫，f) 镀M开的分成小格的平面泡沫，以及选择性地g) 烧结镀金属的泡沫。
15、 根据权利要求14的方法，其中镀覆是从包括化学蒸发沉积、电 镀、和非电子镀覆的至少一组中选择的方法。
16、 根据权利要求14的方法，包括将巻绕的平面泡沫热分成小格。
17、 根据权利要求14的方法，其中用包括镍、铜、铬、钴、柏、把、 铑、银、金和铁的至少一组的金属镀展开的巻绕的平面泡沫。
18、 一种生产镀金属的泡沫的方法，该方法包括a) 提供具有至少一个水平纵向表面的聚合物泡沫巻，b) 切割该水平纵向表面以形成已知厚度、宽度和长度的第 一 平面泡 沫薄片，c) 环结第 一平面泡沫薄片的相对的端部以形成连续的泡沫环，d) 切割连续的泡沫环以形成第二平面泡沫薄片，e) 巻绕该第二平面泡沫薄片成为泡沫巻， f )将泡沫巻分成小格，g) 展开已分成小格的泡沫巻以形成至少一个泡沫薄片，h) 对泡沫薄片镀覆，以及选择性地i) 烧结镀金属的泡沫薄片。
19、 根据权利要求18的方法，其中镀覆是从包括化学蒸发沉积、电 镀和非电子镀覆的至少一组中选择的方法。
20、 根据权利要求18的方法，包括将泡沫巻热分成小格。
21、 根据权利要求18的方法，其中用包括镍、铜、钴、铬、铂、钇、 铑、银、金和铁的至少一种金属镀泡沫薄片。
22、 一种生产镀金属的泡沫的方法，该方法包括a) 提供已知厚度、宽度和长度的聚合物平面泡沫薄片，b) 环结该聚合物平面泡沫薄片相对的端部以形成连续的泡沫环，c) 切割连续的泡沫环以形成第二平面泡沫薄片，d) 巻绕第二平面泡沫薄片成为泡沫巻，e) 火焰分泡沫巻成小格，f) 展开分成小格的泡沫巻以形成至少一个泡沫薄片，g) 镀覆泡沫薄片，以及可选择性地h) 烧结镀金属的泡沫薄片。
23、 根据权利要求22的方法，其中镀覆是从包括化学蒸发沉积、电 镀和非电子镀覆的至少一组中选择的方法。
24、 根据权利要求22的方法，其中泡沫薄片用包括镍、铜、钴、铬、 柏、4巴、铑、银、金和铁的至少一组中镀覆。
全文摘要
一种生产具有均匀微孔特性覆以微孔金属的聚合物泡沫的方法。沿着纵向表面水平地切割聚合物泡沫厚板从而切下泡沫薄片。卷绕该薄片然后分成小格以去除任何剩余的微孔壁并弄圆内微孔支撑以便扩大相邻微孔之间的开口。展开分成小格的泡沫薄片然后涂覆金属。可以端对端地附加上板片并环切开然后分成小格。该最终的涂覆金属的均匀泡沫提供优良的用于电池板和其它应用的基板。
文档编号C22C1/08GK101287859SQ200680032576
公开日2008年10月15日 申请日期2006年8月25日 优先权日2005年9月7日
发明者J·叔, V·佩斯林, V·埃特尔 申请人:英科有限公司