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1、文章编号:1002-185X(2000)02-0094-07高孔率金属材料的抗拉强度?刘培生1,2付超2李铁藩2(1清华大学北京100084)(2中科院防腐所金属腐蚀与防护国家重点实验室沈阳110015)摘要基于三维网状高孔率金属材料的结构特点,建立其简化的几何结构模型。根据该模型,运用有关几何与力学理论,导出了这种材料抗拉强度的计算公式。该公式将抗拉强度与孔率?通过(1-?)的幂次项型式联系在一起。最后,用有关实验测试证明了计算公式的应用效果是良好的。关键词高孔率金属抗拉强度计算中图法分类号:TF125.6文献标识码:A1前言抗拉强度是工程材料的一项重要性能,对多孔工程材料同样如此。人们对多
2、孔材料的主要力学性能抗拉强度与孔率之间的关系做了大量研究工作,先后得出了不少两者的关系公式 1。近年来迅速发展的三维网状高孔率金属,可以说是一种新型的多孔材料。其制备方法一般不同于传统的粉末烧结工艺,如采用有机多孔基体电镀法 25和有机多孔基体气相沉积金属法 2,6等,它们是由连通孔隙组成的网络结构体,孔率高达百分之八十几到百分之九十几之间。这种高孔率材料可应用于电池等电极基板、过滤器、催化剂载体、电合成等电化学过程阴极、流体混合器、热交换器、消声材料、电磁屏蔽材料、复合金属材料和其它填充材料等 25。作为电池电极基体的多孔金属,其抗拉强度极大地影响着整个电极的强度和卷成品率等,是关系到电池能
3、否大批量工业化生产的关键 7。宇宙飞船用高压型 Ni-H2电池中的泡沫电极,因需承受较大的压力,故对其强度要求也较高 8。燃料电池中的扩散电极和化学工业中的电解阴极在大型电极的工业化制造及使用过程中受压 9,用作飞机和导弹上的轻质导热支撑性结构材料 10,一些应用中需压实或加工成各种复杂形状 11等等,均存在着明显的强度问题。因此,找出高孔率金属的抗拉强度与孔率的数学关系,具有较大的实际意义。以往的多孔体抗拉强度计算公式 1,12,13,主要基于钢铁等不同质的粉末烧结含孤立孔隙型材料,它们一般针对性地适合于某种或几种特定的制备工艺和材质,在较低的孔率范围内有较好的应用效果,其中大多数是经验式和
4、半经验式。本文则是根据三维网状高孔率材料的结构特征进行简化处理和近似推导,得出普遍适合于不同制备工艺和各种材质的网络结构高孔率金属抗拉强度与孔率的简单关系式。通过高孔率泡沫镍材料为例的实际应用,验证了本理论关系式的适用性。2物理模型的建立和关系公式推导2.1 物理模型的基本假设结构均匀、各向同性的三维网状高孔率金属材料,系丝状金属体按立方体对角线方式连结成大量密积的体心立方式八面体孔隙单元(图 1)集合,这种连结方式可在具代表性的 3 个垂直方位得到同等的八面体单元。单元八面体的中心对称轴方向(见图1a 中的箭头方向)为拉伸方向。在金属丝的丝体和结点内部,任何位置产生的最大正应力(?max)达
5、到对应密实材料抗拉强度(?0)大小时,都会导致造成多孔体整体破坏的断裂出现,此时整个多孔体所受外加拉应力即为该多孔材料的抗拉强度(?)。第 29 卷第 2 期2000 年4 月稀有金属材料与工程RARE MET AL MAT ERIALS AND ENGINEERINGVol.29,No.2April 2000?联系人:刘培生,男,31 岁,博士,助研,清华大学材料科学与工程系,北京100084,电话:010-62779035图 1高孔率金属抗拉强度分析示意简图Fig.1Schematic diagram for analyzing the tensile strength of high-p
6、orosity materials(a)T he unit octahedron(b)Original state with force for the edge within the unit octahedron2.2 单元八面体的简化处理及有关尺寸为便于计算,先将单元八面体的棱视为圆柱形,棱本身的空洞缺陷亦考虑为圆柱形中空。再设由丝体连接构成的丝体外部那些贯通孔隙(主孔)的孔率为?,丝体内部那些空缺构成的孔率为?,总孔率即?=?+?,其中?。又设包容单元八面体的立方体边长为 a,则根据立体几何及体积比关系结合图 1可得:八面体棱长L=32a(1)八面体棱径r=1-?43?a(2)棱中空孔
7、径r=?43?a(3)图 1a 是从多孔体内大量互相联结单元八面体中拿出来的一个隔离分析模型。当材料为脆性时,受拉过程各结点的位置稳定。而当材料具有塑性时,八面体单元受拉后可能伸长,但作为近似计算,为简化推导,可主要针对外加的传递拉伸力,而暂不考虑垂直于外力方向上其它单元八面体对它的约束力。因为当多孔材料整体是长条形且载荷方向在其长方向时,这种约束力相对较小,而抗拉强度试样一般为轴向受力的长条形。图 1b 由单元八面体中相对的 4 条棱柱所组成,其中?0是棱柱与单元八面体轴线的原夹角,A和 B 分别是棱柱的侧结点和顶结点,L 为单元八面体的棱长。2.3内部的不同断裂方式及对应的多孔体表观抗拉强
8、度与孔率关系推导设对多孔体的外加名义拉应力为?,则单元八面体所受载荷为:p=a2?而对每条棱柱的作用力为:p =14p=14a2?p 在棱轴线和垂直于棱轴线的两个方向上产生的分力分别为 p1和 p2(见图 1b 初始状态)。2.3.1 结点断裂结点产生最大应力的位置应该处于单元八面体上 4棱和下 4 棱的交接截面,故认为该处为结点优先破坏位置。由图 1b 的几何关系并考虑结点的工艺圆整性,结合(1)式(3)式可近似求得上述截面积:S krLa/22?-r La/22?=34k(1-?)a2故结点所受最大应力:?maxps=?a234k(1-?)?a2=433k?1-?式中 k 为比例系数。当结
9、点所受最大应力等于对应密实材料的抗拉强度即?max=?0时,有:?34k(1-?)?0简写成:?K?(1-?)?0(4)此即结点断裂引起多孔体整体破坏的多孔材料表观抗拉强度。因为材料种类和制备工艺都会影响结点的具体结构状态,故式中 K 是取决于它们的常数。2.3.2 棱柱断裂在多孔体受拉伸力时,对一单个的单元八面体,可简单地考虑其所受外加载荷在上下两个结点,且其棱柱与轴线的夹角有减小的趋势。将单元八面体的一条棱柱作受力分析对象,根据材料的不同塑性程度,棱柱断裂可发生的情况有 3 种:棱柱完全无偏转;有一定偏转;完全转动到与载荷一致的方向。在前两种情况下,可将棱柱视为侧结点(A)处固定而顶结点(
10、B)处受载荷作用的悬臂梁(图 1b),借助弹性力学有关理论进行近似计算,并假设棱柱在转动过程中截面952 期刘培生等:高孔率金属材料的抗拉强度状态不发生变化。(i)棱柱无偏转脆性断裂近似参考图 1b,有:p1=p sin?0=p?22a?1L=612?a2?(5)p2=p cos?0=p?12a?1L=312?a2?(6)悬臂梁产生最大弯矩的截面理论上应在支座根部,而实际棱柱并不均匀,断裂往往发生在其较薄弱的部位,由实际状况知这种部位在图中 AB 之间的任何位置机会都大致相等,故可取其综合平均为棱柱中部。为便于计算,不妨假定断裂系由棱柱中部的承载截面积最小,而引起局部应力集中所致。设该截面形状
11、的差异只是它的内外径为均匀棱柱的 1/n 倍,其中 n 是大于 1 且决定于制备工艺条件的某个常数。于是,由(1)式和(5)式,棱柱优先断裂部位弯矩可近似表示为:M=p1?L2=612?a2?34a=216a3?(7)而结合(2)式和(3)式可得棱柱优先断裂部位的抗弯截面模量:Z?322?rn4-2?rn42?rn=196n3(1-?)2-(?)2?3?(1-?)?a3(8)故由(7)式和(8)式可推出弯矩 M 引起的最大正应力:?1MZ2n363?(1-?)(1-?)2-(?)2?(9)参考(2)式,(3)式和(6)式,得出 p2产生的拉应力是:?2p2?rn2-?rn2=n21-?(10)
12、由(9)式和(10)式可得出棱柱中部总的最大正应力为:?max=?1+?22n363?(1-?)(1-?)2-(?)2+n21-?当?max=?0时,上式的?即相当于多孔体的整体抗拉强度,故多孔体的表观抗拉强度为:?02n363?(1-?)(1-?)2-(?)2+n21-?=(1-?)2-(?)2?(1-?)n2(1-?)2-(?)2+2n363?(1-?)?(1-?)?0上式是以假设状态的规则结构为前提进行推导的,未考虑拉伸过程棱柱的其它形变,也未考虑实际状态的细微构造和缺陷等形态的复杂性。因为这些因素主要受制取多孔体的材质和实际工艺过程所影响,故应将上式用一个表征材料种类和制备工艺条件的常
13、数 K 加以修正,简单的系数相乘法修正得:?K?(1-?)2-(?)2?(1-?)n2(1-?)2-(?)2+2n363?(1-?)?(1-?)?0(11)当?=0 或可视为足够小时,有或近似有?=?,(1-?)=(1-?),(?)2=0从而由(11)式得:?K n2?(1-?)2(1-?)+2n363?(1-?)?0(12)若又有?较大,如大于 70%,则:(1-?)2n363?(1-?)=23?12?n(1-?)1223?12?n(1-0.7)120.05n?1即:(1-?)?2n363?(1-?)故由(12)式可得?K (1-?)22n363?(1-?)?0=K?(1-?)1.5?0(1
14、3)式中 K=K/2n363?,仍是一个取决于材料种类和制备工艺条件的参量。此即该情况下的多孔材料抗拉强度估算式。(ii)棱柱有一定几何偏转的塑性断裂近似观察有一定塑性的多孔体的拉伸,可发现随过程的进行,拉伸力逐渐增大,内部丝体则发生与拉伸方向夹角逐渐减小的偏转,即单元八面体被逐渐拉长。当拉伸力达到某一大小,棱柱内部产生的最大应力达到密实体抗拉强度时,棱柱也随之偏转到与之对应的某一极限位置而断裂。在棱柱受拉偏转时,其侧点(即悬臂梁的固定端)96稀有金属材料与工程29 卷作用在棱柱上对外加载荷的反力矩 Mr,随棱柱偏转量的增加而增大,且对一定的偏转量则随棱柱抗弯截面模量 Z 的增大而提高。故对断
15、裂位置不妨视其:Mr?Z?sin(?0-?)(14)式中:?为决定于材质的比例系数(对柔性材质?=0);?为偏转极限断裂位置的棱柱与外加拉力夹角,且有 0?0。给(?0-?)项取正弦是为简化计算而作。对应图 1b,此时外加拉力作用于棱柱的弯曲力 p1和拉伸力 p2分别为:p1=p sin?=a24?sin?(15)p2=p cos?=a24?cos?(16)式中?是发生断裂时的多孔体所受外加拉伸应力。结合(1)式和(15)式,可得 p1对断裂处(棱柱中部,同(i)理)产生的最大弯矩:Mmax p1?L2=316?a3?sin?(17)结合(2)式、(3)式和(16)式,可得 p2对棱柱断裂面产
16、生的拉应力:?2p2?rn2-?rn2=3?cos?n21-?(18)因?2在截面是中心对称分布,故其对断裂处无力矩贡献。对断裂处运用力矩平衡原理,可得:Mr+(?0-?2)?Z=Mmax(19)将(8)式、(14)式、(17)式和(18)4 式代入上式整理得:?2?cos?-sin?+3?(1-?)2-(?)2?(1-?)63?3?(1-?)12?(1-?)?sin?+3(1-?)2-(?)2cos?0(20)同(i)理修正得:?K?2?cos?-sin?+3?(1-?)2-(?)2?(1-?)63?3?(1-?)12?(1-?)?sin?+3(1-?)2-(?)2cos?0(21)式中 K
17、 和?分别是取决于材料种类及制备工艺条件的修正系数和比例常数。因为棱柱断裂偏转角度(?0-?)可随其能承受的极限弯矩 Mmax=?0Z 增大而增大,而随其抗弯截面模量 Z 增大而减小,故为计算方便可粗略地认为:sin(?0-?)=?0ZZ=?0式中?是由材质决定的比例系数,可见?是由材质而定的特征偏转极限夹角。令C=K?2?cos?-sin?+3K1=633?C?sin?K2=3C?cos?则由(21)式可得:?(1-?)2-(?)2?(1-?)K1(1-?)12?(1-?)+K2(1-?)2-(?)2?0(22)式中 C 和 K1,K2均是决定于多孔体材质的系数,即决定于多孔体材料种类及其制
18、备工艺条件的常数。当?=0 或?0 时,有?=?或?,由(22)式得或近似得:?(1-?)2K1(1-?)12+K2(1-?)?0(23)这是可适于一般高孔率金属的抗拉强度近似计算公式。测出同种材质(即同种工艺制备的同种材料)多孔体几个不同孔率时的抗拉强度,代入上式解二元一次方程组,导出对应该材质的常数 K1和 K2,那么对该种材质多孔体每给出一个孔率参数,都可由公式估算出其抗拉强度。(iii)棱柱完全偏转断裂近似假设棱柱完全转动到与外加载荷一致的方向后,才随拉伸的继续进行而发生断裂。为简单起见,还假设棱柱结点处柔韧性高至在拉伸中不产生导致优先断裂的裂纹和其它缺陷。此时的拉断强度?,即是棱柱所
19、受的纯粹正应力。不管拉断截面的形状和大小在多孔体拉伸的整个过程中有无变化,都可按承载面积减小的比例结合(2)和(3)两式整理近似得出:?K?4(?r2-?r2)a2?0=K 3?(1-?)?0=K2?(1-?)?0(24)式中 K 和 K2均同样是取决于材料种类和制备工艺的常数。(iv)棱柱中度偏转断裂简化近似该情形类似(ii),介于(i)和(iii)两种情形之间。从分别对应于(i)和(iii)的(4)和(24)两式型式可看出,这两种极限情形的不同之处在于(1-?)项的指数有变化。故情形(iv)的抗拉强度与孔率关系可近似表为:972 期刘培生等:高孔率金属材料的抗拉强度?=K?(1-?)11.
20、5?0(25)一般多孔材料的指数项应介于上述两者(1 和1.5)之间,对于 Cu 和 Sn 等塑性较好的金属材料,其指数应偏向于 1,而对于 T i 等塑性相对较差的金属材料,其指数应偏向于 1.5。所以,对 Ni 和 Fe 等塑性适中的金属材料,不妨将其幂次项指数近似取为(1+1.5)/2=1.25。故当构成多孔体的材料具有中等程度的塑性时,近似有:?=K?(1-?)1.25?0(26)式中 K 为取决于材料种类和制备工艺条件的系数,更确切地说是多孔体具体结构状态的修正系数。此即为一般性高孔率金属抗拉强度与孔率关系的近似表达式。(v)关于系数 K上述公式是在多孔体各向同性的基础上推导出来的。
21、当多孔体各向异性时,分析模型中原单元八面体即在轴向被拉长或压扁。从模型假设可知,此时各棱与单元八面体中心对称轴的原始夹角便发生变化。由推导过程可知,这种变化效果最终落到公式(13)和公式(22)公式(26)中的系数上。所以,(13)式和(22)式(26)式应用于各向异性的多孔体时,其 K 值还与拉伸方向有关。3公式的应用和检验3.1 实验材料及其试样的制取和测试实验材料采用聚氨酯海绵以电沉积方式制备的泡沫镍,孔率在 88%99%之间,厚度为 2 mm3mm。抗拉强度测试试样的形状和尺寸参照文献 7,长度方向全在大样的等同位置取纵向。抗拉强度测试设备采用 XLL-50 型拉力试验机,加载误差1%
22、,拉伸速度为8.2 mm/min。试验过程中根据实际拉力的变化不断调整量程范围,使试样拉断力既在量程之内又尽可能逼近量程极限,以使测量误差减至最小。试样在狭小平行部分之外断裂无效。测试环境温度为 25。结果列于表 1。表 1实验结果和公式的有关计算值Table 1Experimental results and relative values of the formulas试样号Sample code12345678910平均Average?/%88.6089.6690.1992.5593.5295.7995.8397.1598.3898.84?-test value/MPa6.756.455
23、.404.163.232.482.001.280.630.38?-F(23)/MPa7.116.245.814.003.311.831.801.060.480.30?-F(26)/MPa6.916.125.734.063.411.981.971.220.600.40abs(?/?)-F(23)/%5.33.37.63.42.5(26.3)9.917.224.122.210.6abs(?/?)-F(26)/%2.35.26.02.45.6(16.6)1.74.64.04.54.0K-F(26)0.3210.3470.3100.3370.312(0.410)0.3350.3450.3430.315
24、0.329abs(?K/k)-F(26)/%2.35.55.72.55.3(24.6)1.84.84.24.34.0注表中:?F(23)表示公式(23),其余类推;?=(公式估算抗拉强度值)-(实测抗拉强度值)=?-?,?/?=(公式估算抗拉强度值)-(实测抗拉强度值)/(实测抗拉强度值)100%;?k为K的平均值,?K=K-k。3.2 本理论公式的应用结果和讨论由于该实验材料的?88%,故近似视?0 和?而运用公式计算带来的误差也小于2%。观察该泡沫材料还发现,其丝体结点的有效截面积比丝体本身的大,故结点承受载荷的能力也较大,在拉伸过程中断裂一般发生在棱柱上的薄弱环节。另外,在拉伸过程中该材
25、料金属丝有一定偏转。故在此主要将公式(23)和(26)作应用验证和效果分析。借用文献 14 提供的金属镍抗拉强度?0=317MPa,将不同孔率试样对应的抗拉强度测试平均值依次代入上述公式,解出对应每种孔率试样的系数值。将求得的系数平均值代回原公式,得:?=(1-?)21.163(1-?)12+1.641(1-?)?0(23)?=0.329(1-?)1.25?0(26)用上述二式计算各试样的抗拉强度,将有关计算结果同列入表 1。而将本文所得 4 个公式的理论曲线与实测数据一同直观地示于图 2。从表 1 和图 2可看到,公式(23)和公式(26)的理论计算值与实测结果相符较好(而(13)和(24)
26、两式则相差较大)。这与实验材料的金属丝在拉伸中有一定偏转一致,并为实际观察所证实。这同时也说明了金属镍是具有中度塑性的一种材料。表 1 反映出本模型理论公式(26)不但有与实测值相符较好的计算值,且系数也相当稳定,相对波动幅度在百分之几以内。这为公式的应用带来很大方便。即如果用于求知具体系数值的取样测试比较精密98稀有金属材料与工程29 卷的话,则得出的任一系数值代回原式计算同种工艺制备的同种多孔材料抗拉强度时,由系数的不确定性方面带来的计算误差也应该在百分之几以内。(26)式的衍生公式(26),其抗拉强度计算值与实测值的相对偏差也在百分之几以内,这种近似估算结果可认为是不错的。该公式只有一个
27、待定系数,求解简单,对本实验材料表现出良好的总体应用效果。但其表征材料塑性指标的指数项 1.25 取值不是十分严密,对金属镍取该值而获得较好效果带有一定程度的随机性。不过对于一种近似估算,这样的取值方式还是可以接受的。关于公式塑性指标的取值一项,可参考一些金属材料性能方面的文献。图 2实验数据与本理论公式曲线Fig.2Experimental and theoretic curves由图 2 可看到公式(23)也有尚可的应用效果,且对系数的敏感性较低,但该式未知常数较多且波动很大,给公式应用前的预求解带来较大不便,故总体应用效果不是很好。除孔率这个关键性重要因素外,孔隙形状、孔隙尺寸分布、材料
28、内部缺陷特点及多孔体的具体结构方式等,也都可能对材料强度产生一定的影响。但上述因素均取决于制备工艺,故本理论公式把这些因素的作用全部累积在表征材料种类和制备工艺条件的常数项上,以尽量简化公式,而且合理。当然,公式基于高孔率特征,只适于高孔率范围,对较低孔率的计算会引起严重的失真,这是该估算方法的局限性。4结论1)基于三维网状高孔率材料结构特征的八面体模型,能较好地体现该材料的某些力学性能,用该模型导出高孔率材料的抗拉强度与孔率关系式为:?K(1-?)m?0(01)或?(1-?)2K1(1-?)12+K2(1-?)?0(02)式中:?为多孔材料表观抗拉强度;?0为相应的无孔材料抗拉强度;?为多孔
29、体的总孔率;K,K1和K2是取决于材料种类和制备工艺条件的常数,当多孔体各向异性时,其值还与拉伸方向有关。(01)式中 m 是对应致密材料的塑脆性和多孔体内部结点牢固度指标,介于11.5 之间:当对应致密材料的塑性较低时,m偏向 1.5;当对应致密材料为高塑性或多孔体内部结点为优先断裂位置时,m 偏向 1;当对应致密材料为塑性适中的一般金属或合金时,可近似取 m=1.25,比如金属镍。而(02)式则只对丝体优先断裂的多孔体有效。以上理论公式是基于高孔率结构特点进行推导的,因此只有在高孔率范围内才能适用,比如孔率为80%以上或更高的区间。2)实验证明,电镀热解烧结工艺制备的泡沫镍,可较好地由本理
30、论公式进行抗拉强度计算(其中又以(01)式效果为佳)。按本理论公式可由孔率估算产品的抗拉强度,也可由此通过控制孔率制备具有较精确抗拉强度要求的多孔材料。反之亦然。致谢感谢于青工程师在试样制备方面的大力帮助和吕明研究员在试样测试方面的友好指教,以及李铁藩研究员和付超研究员的大力支持。参考文献References1Huang Peiyun(黄培云).Principles of Powder Metallurgy,2nd ed(粉 末冶 金 原 理,第 2 版).Beijing:MetallurgicalIndustry Press,1997:3822 本多 正明,西 澈也,石井 正之,古川 正行.
31、金属多孔体?连续制造方法.JP 2795A,19923Brannan JR,AndrewSB,AnthonyJ.ContinuousElectroplating of Conductive Foams.US5098544,19924 高城 东一,串桥 和人,和田 澈也.三次元网状构造金属多孔体及?制造方法.JP 248492A,19945 前田 裕子,川越 隆博.金属多孔体?制造方法及?方法?制造?金属多孔体.JP109597A,19956Babjak J,Ettle V A,Paserin V.N ickel Foam.EP0 402738 A2,19907 Zheng Tianqi(郑天奇
32、),Hao Jianguo(郝建国),Zhang Qinlin(张 庆 林).KeyParameters of Nickel Foam.ChineseJournal of Power Sources(电源技术),1997;21(1):158 桑岛 三郎,城上 保,高木 恒平,高桥 一道.宇宙机用高压型?!水素蓄电池?开发 IV.35Ah 试作?宇宙机(?6 号)试验?结果).电气化学?工业物理化学,1997;65(1):579 内村 笃,前田 拓永,古屋 长一.发泡?!用?992 期刘培生等:高孔率金属材料的抗拉强度?扩散电极.电气化学?工业物理化学,1998;66(2):19410 Helm
33、ut G Hanusa.Reticular Structures and Methods ofProducing Same.US 3549505,197011Harold Bray.Design Opportunities with Metal Foam.Eng Mater Des,1972;16:1912 Salak A,Miscovic V,Dudrova E,Ruonayova E.TheDependence of Mechanical Properties of Sintered IronCompactsuponPorosity.PowderMetallurgyInternationa
34、l,1974;6(3):12813 HamiuddinM d.CorrectionbetweenMechanicalProperties and Porosity of Sintered Iron and SteelsaReview.Powder M etall Int,1986;18(2):7314 American Society for M etals.M a Jiurong(马九荣)et alTrans.Metals H andbook,9th ed,Vol.2(金属手册,第九版第二卷).Beijing:Machinery Industry Press,1994:987(收稿日期199
35、90505)(修回日期19990809)(编辑伍本德)Tensile Strength of High-Porosity MetalsLiu Peisheng1,2,Fu Chao2,Li T iefan2(1Department of M aterials Science and Engineering,T singhua University,Beijing 100084)(2Institute of Corrosion and Protection of M etals,China Academia Sinica,Shenyang110015)AbstractBased on the s
36、tructural feature of high-porosity metals with three-dimensional reticulated shape,a simplified structuralmodel has been established for these materials.In the light of this model,the formulas for calculating the tensile strength interms of the porosity of material have been derived from the relativ
37、e theories of geometry and mechanics.The formulas connectthe tensile strength with porosity(?)by means of the power of(1-?).T hese formulas has been applied to the nickel foam.Keywordshigh-porosity metal,tensile strength,calculationCorrespondent:Liu Peisheng,Ph.D.,Dept.M ater.Eng.,T singhua Universi
38、ty,Beijing 100084,P.R.China,T el:0086-10-62779035铜在钛上的成核机理人们对铜在酸性溶液中的电化学行为及铜晶粒的生长已作了广泛的研究工作,但文献对电解生产铜箔和薄膜的工艺报道很少。虽然生产铜箔和薄膜与其它电沉积铜的基本原理一致,但具体工艺参数却相差很大。因而本研究用电化学技术来研究在较高负极过电位及高铜离子浓度下,铜在钛上的成核和生长过程;讨论了整个过程的控制因素;用 SEM 技术对铜沉积表面进行了对比研究。实验采用带有控温及搅拌装置的 250 ml 的烧杯为电解槽,以钛为工作电极,铜为辅助电极,电极工作面积为 1 cm2,以 Hg/Hg2SO4电
39、极为参比电极(+650 mVvs.SHE);试验电解液中铜的浓度为 83 g/L,H2SO4浓度为 140 g/L;实验分别在 45,60下进行;在负极电位分别为-600 mV,-700 mV,-800 mV,-900 mV,-1 000 mV,-1 100 mV 下,用微机控制的 EG&GPAR-273 A 恒电位/恒电流仪进行各种电化学性能测试。实验结果表明:饱和成核密度强烈地依赖于负极的电极电位,随着电极电位的升高成核密度不断增加,直到-900 mV;当电极电位高于-900 mV 时,成核密度基本不变,这时的成核密度主要受离子扩散控制影响。饱和的成核密度在很短的时间内就可达到一恒定值,在
40、考察的电极电位范围内(-600 mV-1 100 mV)在1 ms 内就可达到饱合;在此后的时间里主要是成核晶粒的生长,成核密度不再发生变化。在较低的负极电位范围内(低于-600 mV)在最初的一段时间内(小于 1 ms)铜在钛上渐渐成核,成核晶粒主要呈针状生长,成核及晶粒生长受扩散控制。在较高电极电位下(-600 mV-900 mV),铜的成核和晶粒生长的控制因素类似于低电位下的情况,但晶粒的生长形式不同,主要呈不规则和针状生长,并随着电极电位的进一步升高,呈针状生长的晶粒数量减少。到-900 mV 时呈针状生长的晶粒消失。在较低负极电位下,搅拌对最初的成核无明显影响,但搅拌可使晶粒均匀生长,形成光滑表面;在较高负极电位下,搅拌可使成核晶粒的大小、形状分布均匀,无针状生长情况出现,可得到均匀、光滑的铜薄膜表面。武宏让供稿100稀有金属材料与工程29 卷