니켈 폼(Nickel Foam)을 만드는 방법은 무엇인가요? 템플릿 및 전기 도금 공정에 대한 안내서

본질적으로 니켈 폼은 희생 템플릿으로 고분자 폼을 사용하여 만들어집니다. 이 템플릿 위에 니켈을 전기 도금한 다음, 고온 열처리 공정 중에 태워 없애면 원래 폼의 개방 셀 네트워크를 복제한 순수한 다공성 금속 구조가 남게 됩니다.

니켈 폼 생산을 이해하는 핵심은 이를 단순한 코팅이 아닌 템플릿 공정으로 보는 것입니다. 고분자 주형 주위에 금속 골격을 만든 다음, 그 주형을 제거하여 자립형 개방 셀 금속을 만드는 것입니다.

핵심 원리: 희생 템플릿 복제

전체 제조 공정은 고분자 내부 구조의 금속 복제본을 만드는 것을 목표로 합니다. 재료 선택과 공정 단계는 모두 이 목표를 달성하기 위한 것입니다.

이 공정은 개방 셀 폴리우레탄(PU) 폼 블록으로 시작됩니다. 이 재료는 고도로 상호 연결되고 균일한 기공 구조를 가지며, 고온에서 상당한 잔류물 없이 완전히 연소될 수 있다는 특성 때문에 선택됩니다.

폴리우레탄은 전기 절연체이지만, 전기 도금에는 전도성 표면이 필요합니다. 금속을 증착하기 전에 폼이 전류를 전달할 수 있도록 처리해야 합니다.

이는 일반적으로 폼을 콜로이드 흑연 분산액에 담가서 달성됩니다. 분산액이 건조되면서 폼의 복잡한 내부 지지대 전체 표면에 얇고 균일한 전도성 흑연 입자 코팅이 남게 됩니다.

폼 템플릿이 전도성을 갖게 되면 전기 도금조에서 음극 역할을 합니다. 이것이 주요 금속 증착 단계입니다.

전도성 폼은 니켈 이온이 풍부한 전해질 용액(예: 황산 니켈조)에 담가집니다. 용액에 전류를 통과시키면 니켈 이온이 폼의 흑연 코팅된 표면에 고체 금속으로 증착됩니다.

증착된 니켈 층의 두께는 중요한 제어 변수입니다. 전류 밀도와 도금 시간을 조정함으로써 제조업체는 최종 폼의 밀도, 기계적 강도, 전기 전도성 및 비표면적을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 도금 시간이 길어지면 지지대가 두꺼워지고 폼이 더 조밀하고 강해집니다.

도금된 폼이 최종 제품은 아닙니다. 이는 폴리우레탄, 흑연 및 니켈의 복합체입니다. 마지막 단계는 소결이라고 불리는, 가마에서 정밀하게 제어되는 열처리입니다.

이 가열 공정은 두 가지 필수 작업을 동시에 수행합니다.

열분해: 원래의 폴리우레탄 폼 템플릿이 연소되어 폴리머가 있던 자리에 빈 공간이 남습니다. 흑연 코팅도 산화되어 제거됩니다.
야금 결합: 고온에서 증착된 니켈 입자들이 융합되거나 소결되어 강력한 금속 결합을 형성합니다. 이로써 부서지기 쉬운 니켈 코팅이 견고하고 자립적인 금속 구조로 변모합니다.

가마에서 나오는 물체는 순수 니켈 폼입니다. 가볍고 다공성이 높으며 원래 폴리우레탄 템플릿의 정확한 개방 셀 구조를 유지합니다.

이 공정은 효과적이지만, 이해하는 것이 중요한 복잡성과 내재된 상충 관계를 포함합니다.

폼의 복잡한 내부 기하학 구조 전체에 걸쳐 완전히 균일한 니켈 코팅을 얻는 것은 어렵습니다. 초기 전도성 코팅의 불균일성이나 도금조 내 전기장의 변화는 최종 제품의 밀도와 강도에 불일치를 초래할 수 있습니다.

폼의 다공성(따라서 낮은 밀도와 높은 비표면적)과 기계적 강도 사이에는 직접적이고 피할 수 없는 상충 관계가 있습니다. 다공성이 매우 높은 폼은 지지대가 얇아 두꺼운 지지대를 가진 조밀한 폼보다 기계적으로 약합니다.

소결 단계에는 니켈의 원치 않는 산화를 방지하고 적절한 야금 결합을 보장하기 위해 정밀한 분위기 제어(예: 수소/질소와 같은 환원 분위기)가 가능한 특수 고온 가마가 필요합니다.

이 제조 공정을 이해하면 특정 응용 분야에 최적화된 폼을 지정하거나 설계할 수 있습니다.

주요 초점이 높은 비표면적(배터리, 촉매 또는 슈퍼커패시터용)인 경우: 작은 기공을 가진 템플릿을 우선시하고 표면적 대 부피 비율을 최대화하는 얇고 균일한 니켈 층을 생성하도록 전기 도금을 제어합니다.
주요 초점이 여과 또는 유체 흐름인 경우: 초기 폴리우레탄 폼의 기공 크기와 구조(인치당 기공 수) 선택이 가장 중요한 결정이며, 이는 최종 폼의 투과성을 직접적으로 정의합니다.
주요 초점이 경량 구조 지지 또는 에너지 흡수인 경우: 더 긴 도금 시간을 통해 더 두꺼운 니켈 지지대를 생성하는 데 중점을 두고 소결 공정을 최적화하여 금속 결합 강도를 최대화합니다.

이 템플릿 방법을 이해함으로써 귀하의 응용 분야의 특정 요구 사항을 충족하도록 니켈 폼의 특성을 효과적으로 맞춤화할 수 있습니다.