电沉积和热致合金化联用技术制备铁基合金箔

Alloy foils have been widely used in electrician and electronic industries, secondary batteries, packaging fields and so on. Electrodeposition is a unique method to largely produce super-thin metallic foils at low cost. However, it is difficult to precisely control the composition of alloy foils during continuous electrodeposition, especially when the difference between standard potentials of respective metal ions/metal contained the alloy foils is greater. Herein, alloy electrodeposition is restricted in its applications to fabricate corresponding alloy foils. As a conventional surface-modification technique, surface alloying is usually used to enhance surface properties of metals through forming functional alloys with new structure or composition. A novel method is proposed in this project, integrating with these two above technologies. Tri-layer M/Fe/M foils are prepared by electrodepositing M on electroformed Fe foils, and then became Fe-M alloy foils through a surface thermo-alloying technology. The effect of temperature, time and structures of Fe foils on diffusion rate of metal atoms between M/Fe/M will be studied in detail, the dynamics model will be given, and a mechanism about thermo-alloying of Fe and M will be also proposed.

金属合金箔材料已经在电工电子、二次电池和包装等领域得到了广泛应用。电沉积是一种低价批量制备超薄金属箔不可多得的方法。然而在连续电沉积制备合金箔过程中遇到合金组分难以精确控制的问题，尤其当合金中各元素的标准电位相差较大时，更难控制合金组分，因此合金箔的电沉积制备未得到广泛应用。表面合金化是一种常用的金属表面改性技术，这种技术能在金属表面获得具有结构或组分新颖的合金。本项目拟以电沉积方法制备各层厚度可控的M/Fe/M三层箔，再利用热致合金化技术使Fe-M之间发生合金化，最终获得组分可控的铁基合金箔。系统研究热致合金化过程，揭示温度、时间和铁箔结构等参数与金属原子的扩散速度的规律，建立热扩散动力学模型，阐明超薄镀层间热致合金化的机理。

金属箔材料已经在电工电子、二次电池和包装等领域得到了广泛应用。电沉积是一种低价批量制备超薄金属箔不可多得的方法。本项目选用氯化物体系进行电沉积铁箔的研究，对氯化物体系进行改进，降低了操作温度，实现了物料平衡，为大规模化生产奠定了基础。我们优化的配方：2.25 M FeCl2、0.75 MFeCl3、0.25 M H3BO3、4 mL/L HCl和0.1 MKCl。CaCl2能提高溶液的沸点，降低镀液的蒸发速度，但是它会导致电解液的沿壁爬行使得电解液“溢出”，因此将其去掉了；而加入三价铁离子和钾离子，能够降低成箔的电沉积温度高达20℃，显著降低蒸发速度。利用DSA作为电沉积铁箔的阳极，解决了铁箔因阳极溶解电场不均匀导致的厚度不均匀问题，但也带来了电解液维护的难题。通过外加电解槽补充亚铁离子，铅板为阴极，因氢超电势高而阻碍了析氢反应，主要发生三价铁离子的还原反应，补充亚铁离子的同时有效控制了三价铁浓度。从而解决铁箔电沉积制备过程的关键性问题，物料平衡问题，实现了小规模生产。铁箔抗拉强度至400-500MPa，是铜箔的两倍左右；向电解液中引入氯化镍，制备出了Fe-Ni合金箔，抗拉强度进一步提高。铁箔用于锂电负极集流体取代铜箔，厚度更薄，质量更轻。我们在实验室里组织了纽扣电池，铁箔完全可以取代铜箔，但由于其导电率比铜要低，所以在应用方面还得解决其它方面的技术难题。. 把获得铁箔放在氨气气氛中550 ℃下获得了Fe-N合金箔，应用锂电池负极领域，提高了循环寿命，350次循环后的容量保持率达到了83.67%。在乙醇气氛中，进行铁箔电流退火时，获得长径比为100的碳纳米线，直径约200纳米。. 在酸性硫酸镍体系中加入磷钨酸，获得了一种新型低钨含量的镍钨合金箔，抗拉强度达到765MPa，是铁箔的1.5倍，铜箔的3倍，所以更加有利于获得超薄（小于6μm）金属箔。在弱酸性柠檬酸氨体系中电沉积制备了镍钨合金薄膜，并对其进行超高频热处理，在功率密度为21 W mm−2条件下8秒钟就可使镍钨合金薄膜的硬度提高到1100 HV，工件变性小，提高了其应用范围。