2.3 泡沫鎳

在眾多的多孔金屬材料中，對泡沫鎳（見圖2-8）的研究工作開展得相對較晚，直到1967年才首次報道泡沫鎳的相關研究工作[102]。20世紀80年代，隨著鎳鎘、鎳金屬氫化物等鎳系列二次電池的高速發展，泡沫鎳作為電極集流體的需求量增大，其生產制造技術也快速的進步和完善，形成了一個規模化生產的全球性產業。

2.3.1 泡沫鎳的孔結構特征

圖2-9是一個泡沫鎳網絡單元模型，是由相互關聯的、原則上相互貫通的網絡單元（Cell）組成的三維網絡結構，每個網絡單元由30個孔棱、12個五邊形孔（Pore）構成一個十二面體。表征泡沫鎳多孔三維空間基本特征參數的方式有兩種：每英寸上的孔數（Pores Per Inch，PPI）和孔徑（Mean Cell Diameter）。兩種方式所說的“孔”必然包含內在的聯系，然而，視角和形式又有所不同?！翱讛怠笔秋@微鏡下每英寸長度上實測到的可視孔（Pore）的數量；而“孔徑”是指Cell截面的直徑長度。有關泡沫鎳的PPI和孔徑兩個參數的提出和應用，是基于歐洲著名的聚氨酯海綿生產商瑞克賽爾（Recticel）公司曾在20世紀末，發行了一本名為《一種測量聚氨酯海綿網絡單元直徑的新方法》（A New Method to Measure the Cell Diameter of Polyurethane Foam）的小冊子。在該小冊子中，他們提出了一個表征聚氨酯海綿孔結構特性的新方法替代他們認為傳統的、過時的、無法嚴格定義的或定義不準確的參數和方法—PPI。因為按照PPI的定義，是指在海綿1英寸長度上能數到的孔的數量。然而，在泡沫鎳領域，孔是一個不確定的狀態，它可能是一個五邊形的透孔，也可能是一個Cell的一部分，極端情況下它甚至是一個坍塌的孔洞，因此孔從未被明確定義過。實際上，它也無法定義，或者說，定義了意義也不大。他們認為，由于PPI沒有一個準確嚴密的量綱，因此從未被接受為國際化的單位，其測量的方法也均未統一。因此，材料供應商對PPI的考量和控制，都有自己的尺度和經驗，對于一個確定PPI的產品，可能會有多個規格不一樣的產品與之吻合，造成了技術和商務上的混亂。雖然新方法是針對聚氨酯海綿提出的，但是，由于泡沫鎳是由聚氨酯海綿模芯脫胎后的電鑄鎳產品，所以很自然地借用來對泡沫鎳進行表征。

為說明PPI測量的結果彌散度較高，上述小冊子列出了圖2-10所示的實例，按A—B方向和按C—D方向數孔的個數，所得結果可能有較大差異。

基于上述認識，Recticel公司為海綿設計了一個測量網絡單元（Cell）直徑的方法，用于度量、表征材料的孔結構特性，并定名為Visiocell法。Visiocell法的技術要點如下：用一種只能由Recticel公司校準過并由它提供的透明對比膠片，膠片上印有與海綿放大照片的放大倍率一致的圓環，在海綿放大照片上選定一個合適的Cell，以此膠片和圓環與海綿內的Cell進行對比、測量，確定其直徑的尺寸，即上述網絡單元Cell的“孔徑”。

Recticel公司的論斷被歐洲廠商普遍接受。加拿大INCO公司太平洋營銷有限公司在上海辦事處，于2000年發布了一本《INCO特殊產品》，目錄中專門列出一章，介紹了“泡沫鎳孔徑的測定程序”，并且在Recticel公司提出的理論基礎上對其PPI2D和Cell孔徑D3D的計算公式作了簡捷和實用化的處理。不過，目前泡沫鎳行業對PPI的使用仍然普遍認同，其原因是盡管用于表征泡沫鎳孔結構特性的Cell孔徑具有國際公認的量綱，而且精確度也可能比PPI稍有進步；但是，對于一個確定型號的泡沫鎳仍然既有多個PPI與之對應，同時也有多個Cell孔徑與之適配。Cell孔徑并非唯一，也未達到現代技術理想的精準。應該說，這是聚氨酯海綿在給泡沫鎳技術帶來榮耀的同時，也給這項工程材料留下的困惑和遺憾。因此，一個有趣的現象是在不同的地區，如亞洲的泡沫鎳生產企業、海綿供應商和相關應用的客戶進行技術和商務交流時，習慣上仍然較多使用PPI，而歐洲地區則比較強調Cell孔徑?；蛟SPPI的簡單和直接，更能體現某些生產模式下對材料性能的更形象的訴求，體現經驗和習慣的力量。有關PPI和Cell孔徑測算方法的發明者（見10.1.4節）也認為“供應商和客戶必須就一個系統達成一致，了解這個系統的優點和局限，并持續使用它。開發一個緊密的工作關系是重要的，這樣，任何要求上的改變或評估過程可以被有效地傳達，以避免混亂和雙方誤解”。PPI和Cell孔徑測算方法的并行使用，大體上就屬于這種狀況。本書第十章對孔數、孔徑的相關測量和計算方法均有較為詳細的闡述。

2.3.2 泡沫鎳的產品質量與制造方法

1. 泡沫鎳的產品質量

連續帶狀泡沫鎳的產品質量包括外觀、接頭數、幾何尺寸、電阻率、材料力學性能、孔數與孔徑、孔隙率、面密度、化學成分及其他特性品質（DTR）等，在本書第十章，對其測量和管控方法有較詳細的說明。對于其他形態的泡沫鎳，其質量和管理方法須參考相應的技術資料。

2. 泡沫鎳的制造方法

根據不同用途，泡沫鎳的制造方法除目前采用的主流方法——電鑄法之外，還有燒結法、發泡法和氣相化學沉積法[102-106]。

（1）電鑄法是目前生產泡沫鎳最為廣泛采用的方法，本書后續章節將詳細介紹有關內容。

（2）燒結法起源于20世紀50年代電池行業的興起，電池行業使用燒結工藝制備多孔鎳基板。燒結法制備的鎳基板技術，代表了鎳系列二次電池的一個發展階段，在3.1.1節中有簡單介紹。

（3）發泡法是通過向高溫熔融金屬鎳中添加發泡劑或直接通入惰性氣體，發泡劑分解產生的氣體或外加的氣體膨脹達到發泡的效果，冷卻后可獲得泡沫鎳材料。與其他泡沫金屬類似，發泡工藝也可分為熔融金屬發泡法、氣體發泡法和粉末發泡法。采用熔體或粉末發泡法合成的泡沫鎳，其孔隙率和孔徑均較小且密度大，泡沫脆性大；使用吹氣法制備的泡沫鎳，孔隙率和孔徑均較大，而密度也較小，泡沫韌性相對較好，可作為防撞的結構材料。

關于泡沫鎳的制備，還有其他一些方法，如羰基鎳法、浸鎳鹽熱解法、低溫氣相沉積法、真空氣相沉積法、鑄造法等。其中，鑄造法又可分為熔模鑄造法和滲流鑄造法。之后，隨著技術不斷進步，又出現了脈沖電沉積法[107]、電解液噴射沉積法[108]。但這些方法均存在不同的缺點，離工業化生產和市場需求的質量還有一定差距。

2.3.3 與泡沫鎳技術有關的若干名詞術語的定義及其用法說明

目前，泡沫鎳行業在專業名詞術語方面缺乏規范的國際標準或國家標準，而且因其生產體系的個性化環節較多，故涉及的名詞術語也多。長期以來，因為泡沫鎳的電鑄工藝與表面工程中的電鍍技術十分接近，所以由電鍍技術衍生而來的行業習慣用語、術語簡稱、近義詞及部分表意含糊的用語，在國內外泡沫鎳行業內普遍使用并約定俗成。本書為了表述準確，力求規范，避免歧義，對以下名詞的定義和用法進行說明，相關定義和解釋一般僅限本書適用。

1. 材料方面的名詞術語定義及用法說明

1）泡沫鎳作為功能材料時的表述

（1）基板：泡沫鎳作為電池和其他電化學工程技術的電極材料或材料之一時，稱為“基板”。它在電極中是作為活性物質的載體和電子的集流體。在電池中與泡沫鎳起相同作用的其他基板材料在3.1.1節中有論述。

（2）泡沫鎳材料：泡沫鎳用作電極以外的功能性材料時，可稱為“泡沫鎳材料”或“泡沫鎳”等界定準確的表述。

2）對聚氨酯海綿的表述

聚氨酯海綿：簡稱“海綿”，因其作為泡沫鎳微觀形貌的“模板”，故成為泡沫鎳生產的重要原材/料。聚氨酯海綿有如下兩類；

（1）聚酯海綿。

（2）聚醚海綿。

3）對各工序制成品的表述

（1）海綿模芯：簡稱“模芯”，指真空磁控濺射鍍鎳、化學鍍鎳、涂炭膠等導電化工序的制成品，對其可按工序命名，如“磁控濺射鍍鎳模芯””化學鍍鎳模芯”“涂炭膠模芯”等。

（2）泡沫鎳半成品：簡稱“半成品”，指電鑄工序的制成品。

（3）泡沫鎳：熱處理工序的制成品。視其工藝過程的狀態，可以稱為“泡沫鎳卷材”或“泡沫鎳帶材”。

（4）泡沫鎳成品：簡稱“成品”，指剪切工序的制成品，即按客戶尺寸要求對泡沫鎳分條后的泡沫鎳成品卷或泡沫鎳成品條（帶）材。

（5）泡沫鎳產品：簡稱“產品”，指泡沫鎳成品包裝后的所有狀態。

4）對各工序在制品的表述

工序在制品簡稱“在制品”，對各工序工藝過程中動態工件帶材的表述。若需界定在制品所在的工序，則以定語說明，按下述方式表述。

（1）聚氨酯海綿導電化工序的在制品：指真空磁控濺射鍍鎳在制品（簡稱“磁控濺射在制品”）、化學鍍鎳在制品、涂炭膠在制品，特指從海綿到模芯之間工藝過程中的帶材工件狀態。

（2）電鑄在制品：指電鑄工序的在制品，特指從模芯到電鑄制成品（即泡沫鎳半成品）之間工藝過程中的帶材工件狀態。

（3）熱處理在制品：指熱處理工序的在制品，特指從泡沫鎳半成品到熱處理制成品泡沫鎳之間工藝過程中的帶材工件狀態。

（4）剪切在制品：剪切工序的在制品，從泡沫鎳卷材到泡沫鎳分條成品卷之間工藝過程中的帶材工件狀態。

5）對相關材料的微觀形貌及結構的表述

相關材料是指聚氨酯海綿、海綿模芯、泡沫鎳及各工序在制品和制成品。

（1）三維通孔網絡結構：簡稱“網絡結構”或“網絡”，是對上述材料微觀形貌和結構的一般表述。原理上，這些材料的微觀形貌和結構特征應該是完全相同的。上述材料的微觀形貌是由相互貫通的網絡單元組成的三維結構。詳細論述見2.3.1。

（2）孔結構特性：涉及對上述材料孔特性的表述，主要涵蓋孔的構成、孔的形狀、網絡單元（Cell）的平均孔徑（Mean Cell Diameter）、孔的密度等。有關孔結構特性的詳細論述見2.3.1節。

（3）網絡單元（Cell）：也稱“特征單元孔”，是對三維孔棱構成的網絡中一個特定孔的表述。

（4）孔棱：是對構成上述材料網絡單元和其他各種形態孔的肋條的表述。

（5）孔棱骨架：是對三維孔棱結構整體形象化的表述。

（6）孔：是對網絡單元（Cell）直徑的表述。

（7）PPI：是泡沫鎳行業在世界范圍內對聚氨酯海綿和泡沫鎳孔密度的一種特定的表述，即每英寸長度上孔的數量（Pores Per Inch），簡稱“孔數”或PPI。

2. 工藝方面的名詞術語定義及用法說明

（1）聚氨酯海綿導電化方法：是對制造海綿模芯的多種方法綜合表述。相關文獻中也常把該方法稱為“工藝”“技術”和“處理”。

（2）聚氨酯海綿真空磁控濺射導電化法：簡稱“真空磁控濺射法”或“磁控濺射法”是對聚氨酯海綿一種導電化方法的表述，該方法是目前泡沫鎳生產過程中常用和重要的工序，第四章對此有詳述。

（3）聚氨酯海綿化學鍍鎳導電化法：簡稱“化學鍍鎳法”，是對聚氨酯海綿一種導電化方法的表述，第五章對此有詳述。

（4）聚氨酯海綿涂炭膠導電化法：簡稱“涂炭膠法”，是對聚氨酯海綿一種導電化方法的表述，相關文獻中也稱為“涂導電膠法”。涂炭膠法是涂導電膠法的一種，也是聚氨酯海綿導電化方法中成本較低、工藝過程較簡單的方法。5.2.2節對此有論述。

（5）泡沫鎳制造的電鑄工序：簡稱“電鑄”，電鑄是泡沫鎳制造過程中的關鍵工序。在本書中與“電鑄”相關的詞語還有“預電鑄”“主電鑄”“水平型電鑄”“V型電鑄”“弧形電鑄”“立式電鑄”及“組合式電鑄”等。

（6）泡沫鎳制造的熱處理工序：簡稱“熱處理”，在本書中是對泡沫鎳制造過程中電鑄工序之后一種特定的熱處理工藝的表述。國內在泡沫鎳開發之初因為借鑒了燒結爐的若干成熟技術，所以泡沫鎳行業常把熱處理工序稱為“燒結”。

（7）泡沫鎳制造的剪切包裝工序：簡稱“剪切包裝”或“成品工序”是對泡沫鎳生產最后一道工序工藝過程的表述。

（8）走帶：是對各工序在制品在加工工藝過程中移動形態的表述。

（9）化學鍍鎳液：是對聚氨酯導電化處理中化學鍍鎳法所使用溶液的表述，在第5章中可簡稱為“化鍍液”或“鍍液”，但不能稱之為“電解液”。

（10）瓦特鎳電解液：也稱為“Watts鎳電解液”，簡稱“電解液”，是對電鑄鎳時所使用的電解槽中電解液的表述。因與電鍍用瓦特鎳電解液高度類似，故常與之混淆。本書若無特指，皆指電鑄用瓦特鎳電解液。

（11）切片：是對聚氨酯海綿從發泡體被加工成“帶狀片材卷”過程的表述，“切片”分為“平切”“旋切”“環切”等不同的方式。

（12）分條：是對下述加工過程的表述，即把熱處理后的泡沫鎳卷帶材剪切加工成客戶要求的寬度、長度和厚度的泡沫鎳條狀成品的工藝過程。

3. 設備

與各工序相關的設備，參照上述“材料”和“工藝”的有關規定，確定名詞術語，避免使用俗稱和各種表意不清的習慣用語、近義詞等。相關名詞術語力求規范、完整，必要時可作說明或附注說明。