专利名称：一种分形结构金属材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种分形结构金属材料，具体地说是一种分形结构金属材料的制备方法。
近几十年来，介孔材料取得了突飞猛进的发展，被广泛应用于电化学、化学催化等众多领域。而在电化学和催化领域当中，一个关键的问题就是如何有效合理地提高反应界面的问题。常规的介孔材料通常是以提高自身的空隙率的途径来满足这种需求的，即在一定的体积内增加孔洞数目和减小孔洞直径的方法。由于受材料本身尺寸大小的影响，其比表面一般只能维持在ΔS≈10～40cm2/cm3的范围，可见所受的限制较大。
众所周知，分形结构具有优良的结构。如三维树状分形具有很好的连通性，而且随着分形级数的增加，其比表面积趋于无穷大，即便是在分形级数有限的情况下，它也具有较大的比表面积。然而，目前利用分形结构金属材料提高比表面积的方法未见报道。
本发明的目的在于提供一种具有良好的连通性和较大的比表面积的分形结构金属材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是制备方法按如下步骤操作(1)将基底材料进行敏化、活化镀前预处理；(2)将上述预处理后的基底材料在化学镀液中进行化学沉积，得金属沉积层；(3)采用电沉积方法，将所述基底材料在电镀镀液里加厚；
其特征在于所述基底材料为天然分形材料；在所述步骤(3)后加步骤(4)，将所述基底材料经烧蚀、酸浸、还原及热处理，镀后处理得纯净的中空分形结构金属材料；其中烧结温度为400～600℃，时间为5～30分钟；其中选用的天然分形基底材料为海藻、草本植物、树枝。
本发明具有如下优点1.具有良好的连通性和较大的比表面积。由于本发明是采用天然分形材料作为基底，利用化学沉积和电沉积的方法来制备分形结构金属材料，其产品为中空、分枝状，在涉及流的传输上(特别是热流)具有良好的连通性；另外从理论上证明，其比表面积至少在ΔS≈40～80cm2/cm3的范围，即是常规介孔材料比表面积的二倍以上。它可以提高化学反应的有效接触面积，从而增加反应效率。
2.本发明操作简单，效率高，成本低，便于推广应用。
附
图1为电沉积装置结构示意图。
附图2为实施例1制备出的具有大石花菜海藻状分形结构的金属镍材料形貌。
附图3为实施例3制备出的具有叉枝藻状分形结构的金属铜材料形貌。
下面通过实施例详述本发明。
实施例1按如下步骤操作(1)将基底材料进行敏化、活化镀前预处理选择具有天然分形结构的大石花菜为基底材料，大石花菜是红藻门石花菜属海藻的一种，经计算其分维数值为1.69左右；所用预处理方法包括敏化和活化敏化实验条件为氯化亚锡(SnCl2·2H2O)，20g/l；盐酸(HCl)，40ml/l；锡粒3～4粒；温度，20～25℃；时间，3～5min。活化实验条件是氯化钯(PdCl2)，0.3g/l；盐酸(HCl)，5ml/l；温度，20～25℃；时间，5～10min；(2)将上述经镀前预处理之后的基底材料在化学镀液中，用化学沉积的方法在海藻基底上沉积得到一层金属镍，所用化学沉积镍的实验条件为氯化镍(NiCl2·5H2)，30g/l；次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)，10g/l；氯化铵(NH4Cl)，50g/l；柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)，100g/l；pH，8～9；温度，80℃左右；时间，1小时左右；(3)再将所述基底材料用电沉积方法，在电镀镀液中使基底表面的金属镍层加厚约30μm；所用电沉积镍的实验条件为硫酸镍(NiSO4·7H2O)，250～300g/l；氯化镍(NiCl2·6H2O)，30～60g/l；硼酸(H3BO3)，35～40g/l；pH，3～4；温度，45～60℃；电流密度，1～2.5A/dm2；时间，2小时左右；(4)最后对上述基底材料进行烧蚀、酸浸、还原和热处理等的镀后处理得到较为纯净的中空的分形结构金属镍；用通氢还原、化学还原的方法来还原被氧化的金属材料，并进行热处理来增强金属材料的朔性等，热处理的条件是700～800℃的温度环境下处理30分钟左右；常规接介孔材料，如泡沫金属的基底去除采用的是将电沉积后的材料加热到100～200℃，使基底泡沫塑料自然热解进行的；与它们不同，本实验采用烧蚀和酸浸相结合的方法来去除海藻基底，即将电沉积后的材料在400～600℃的温度环境下烧结约5～30分钟，然后再用稀酸(如稀硫酸)浸泡10分钟左右的时间便可去除金属中的海藻基底；如图1所示，为本实施例所用的电沉积装置示意图。其中1为直流稳压电源，2为阳极，本实施例为阳极镍板，3为阴极样品，4为镀槽，R为变阻器，A为电流表。其中阳极镍板做成桶状以增强阴极极化能力，从而提高镀层的均匀性；渡槽中镀液的组分如步骤(3)所述；如图2所示为采用该方法制备出的中空的海藻状分形结构金属镍实物。
经计算，该分形结构金属材料的分维数值为1.60左右。该数值较天然海藻的分维数值略有降低，这是由于实验过程当中的不当操作致使材料的精细结构遭到人为破坏引起的，属于正常现象。
实施例2与实施例1不同之处在于(1)将基底材料进行敏化、活化镀前预处理选择具有天然分形结构的叉枝藻为基底材料，叉枝藻是红藻门叉枝藻属海藻的一种，经计算其分维数值为1.59左右；(2)将上述经预处理之后的基底材料在化学镀液中，用化学沉积的方法在海藻基底上沉积得到一层金属镍；(3)之后再用电沉积方法，使其底表面的金属镍层加厚到30μm；(4)最后进行烧蚀、酸浸、还原和热处理等的镀后处理得到较为纯净的中空的分形结构金属镍；即将电沉积后的材料在400～600℃的温度环境下烧结约5～30分钟，然后再用稀酸(如稀硫酸)浸泡10分钟左右的时间便可去除金属中的海藻基底；
所用化学沉积和电沉积实验条件同实施例1。
实施例3(1)将基底材料进行敏化、活化镀前预处理选择具有天然分形结构的叉枝藻为基底材料，叉枝藻是红藻门叉枝藻属海藻的一种，经计算其分维数值为1.59左右；所用预处理方法包括敏化和活化。敏化实验条件为氯化亚锡(SnCl2·2H2O)，20g/l；盐酸(HCl)，40ml/l；锡粒3粒；温度，20～25℃；时间，3～5min。活化实验条件是硝酸银(AgNO3)，4g/l；氨水(NH3·H2O)，8ml/l；温度，室温；时间，5～10min；(2)进行预处理之后，实验利用化学沉积的方法在所述海藻基底上沉积得到一层金属铜；所用化学沉积铜的实验条件为次亚硫酸铜(CuSO4·5H2O)，10g/l；酒石酸钾钠(KNaC4H4O6·4H2O)，40g/l；氢氧化钠(NaOH)，10g/l；HCHO(37％)，10～20ml/l；pH，11；温度，室温；时间，1小时左右；(3)之后再用电沉积方法，使所述基底表面的金属铜层加厚到100μm；所用电沉积铜的实验条件为硫酸铜(CuSO4·5H2O)，100g/l；硫酸(H2SO4)，200g/l；二硫二丙烷磺酸钠(C5H12S4O6Na2)，0.02g/l；四氢噻唑硫酮(C3H5S2N)，0.001g/l；氯离子，0.04g/l；温度，15～20℃；电流密度，1～2A/dm2；搅拌，空气搅拌；时间，30分钟左右；(4)最后进行烧蚀、酸浸、还原和热处理等的镀后处理得到较为纯净的中空的分形结构金属铜；即将电沉积后的材料在400～600℃的温度环境下烧结约5～30分钟，然后再用稀酸(如稀硫酸)浸泡10分钟左右的时间便可去除金属中的海藻基底；用通氢还原等化学还原的方法来还原被氧化的金属材料，并进行热处理来增强金属材料的朔性。热处理的条件是400～600℃的温度环境下处理30分钟左右。
所用的如图1所示电沉积装置中，铜板3取代了镍板3作为阳极，其阳极铜板做成桶状以增强阴极极化能力，从而提高镀层的均匀性；渡槽中镀液的组分如步骤(3)所述。
如图3所示，为中空的海藻状分形结构金属铜产品实物。
经计算，该分形结构金属材料的分维数值为1.55左右。该数值较天然海藻的分维数值略有降低，这是由于实验过程当中的不当操作致使材料的精细结构遭到人为破坏引起的，属于正常现象。
以上实施例说明这种方法对于其它海藻和金属同样适用；本发明所述基底材料亦可为草本植物、树枝；所述化学镀液中金属成份可以根据需要配比而成。
权利要求
1.一种分形结构金属材料的制备方法，按如下步骤操作(1)将基底材料进行敏化、活化镀前预处理；(2)将上述预处理后的基底材料在化学镀液中进行化学沉积，得金属沉积层；(3)采用电沉积方法，将所述基底材料在电镀镀液里加厚；其特征在于所述基底材料为天然分形材料；在所述步骤(3)后加步骤(4)，将所述基底材料经烧蚀、酸浸、还原及热处理，镀后处理得纯净的中空分形结构金属材料；其中烧结温度为400～600℃，时间为5～30分钟。
2.按照权利要求1所述分形结构金属材料的制备方法，其特征在于其中选用的天然分形基底材料为海藻、草本植物、树枝。
全文摘要
本发明涉及一种分形结构金属材料的制备方法。操作步骤:(1)将基底材料进行敏化、活化镀前预处理;(2)将上述预处理后的基底材料在化学镀液中进行化学沉积,得金属沉积层;(3)采用电沉积方法,将所述基底材料在电镀镀液里加厚;特征为:所述基底材料为天然分形材料;在所述步骤(3)后加步骤(4),将所述基底材料经烧蚀、酸浸、还原及热处理成形,镀后处理得纯净的中空分形结构金属材料。本发明具有良好的连通性和较大的比表面积。
文档编号C23C28/02GK1372016SQ01106178
公开日2002年10月2日 申请日期2001年2月21日 优先权日2001年2月21日
发明者王瑞春, 郭敬东, 周本濂 申请人:中国科学院金属研究所