泡沫镍：制造、性能和应用

　　泡沫镍作为一种新型的工程金属材料，由于具有特殊的、相对一致的三维结构、高比表面积、高孔隙率、优良的导电性能、良好的化学/电化学稳定性和催化活性，兼备轻质、阻燃、透气、吸纳声波和电磁波、易于回收再利用等多种优良性能，已被广泛用作镍系二次电池和超级电容器的电极集流体材料，并且在燃料电池/金属空气电池/锂离子电池等新型化学电源、电化学水处理、电化学合成、电化学传感器等电化学工程领域、化工催化/分离过滤/热交换等化工领域，以及电磁屏蔽、消声减振等功能材料领域展示了良好的应用前景。本书主要介绍泡沫镍的技术发展历程、泡沫镍的制造工艺及其关键技术和质量控制、性能表征和检测方法、泡沫镍的绿色制造/安全生产和产业升级、泡沫镍的潜在用途及相关应用领域的**研究结果和进展。

　　钟发平博士，高级研究员，湖南科力远新能源股份有限公司董事长兼先进储能材料国家工程研究中心主任，2015年入选科学技术部创新人才推进计划科技创新创业人才”，2016年，入选由中华人民共和国组织部评选的第二批国家万人计划”科技创新领军人才。主要研究方向：新型储能电池及其材料

目 录
第一篇　镍、多孔金属、泡沫镍概论
第一章 镍\t3
1．1 镍的自然属性\t3
1．1．1 镍的物理、化学性质\t3
1．1．2 镍的主要化合物及其性质\t4
1．1．3 镍在生物体中的作用和危害\t5
1．2 镍的冶炼\t7
1．2．1 镍矿的类型\t7
1．2．2 镍矿资源的分布\t8
1．2．3 镍的冶炼工艺\t10
1．3 镍在国民经济中的应用\t13
1．3．1 镍在不锈钢中的应用\t14
1．3．2 镍在镍基合金中的应用\t14
1．3．3 镍在表面工程技术中的应用\t17
1．3．4 镍在镍系列电池中的应用\t19
1．3．5 镍在工业催化中的应用\t22
1．4 镍资源的回收利用\t23
1．4．1 镍资源回收的现状和问题\t23
1．4．2 镍资源回收利用技术\t24
第二章 多孔材料与多孔金属\t26
2．1 多孔材料\t26
2．1．1 多孔材料的结构特征\t27
2．1．2 多孔材料的分类\t27
2．1．3 蜂窝材料\t30
2．1．4 多孔材料的应用\t31
2．2 多孔金属（泡沫金属）\t33
2．2．1 泡沫金属的发展\t33
2．2．2 泡沫金属的制造方法\t34
2．2．3 泡沫金属的特性\t37
2．2．4 泡沫金属的应用\t39
2．3 泡沫镍\t39
2．3．1 泡沫镍的孔结构特征\t40
2．3．2 泡沫镍的产品质量与制造方法\t41
2．3．3 与泡沫镍技术有关的若干名词术语的定义及用法说明\t42
第三章 泡沫镍制造技术在中国的开发历程、技术进步及全球的产业现状\t45
3．1 泡沫镍制造技术在中国的开发历程\t45
3．1．1 技术背景\t45
3．1．2 块状泡沫镍的开发\t48
3．1．3 连续带状泡沫镍的开发\t52
3．2 连续带状泡沫镍制造技术的创新与进步\t54
3．2．1 真空磁控溅射的技术创新\t55
3．2．2 电铸技术创新\t65
3．2．3 电铸镍废水处理的技术创新――膜分离技术\t77
3．3 泡沫镍产业的现状及未来展望\t80
第二篇 泡沫镍的制造技术及质量管理
第四章 聚氨酯海绵导电化处理―真空磁控溅射镀镍法\t87
4．1 真空理论及真空技术\t87
4．1．1 真空的基本概念\t87
4．1．2 真空物理学基础\t88
4．1．3 真空状态的表征\t90
4．1．4 真空状态的获得\t91
4．1．5 真空检漏\t94
4．2 聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍工艺\t95
4．2．1 真空磁控溅射镀膜的基本原理\t95
4．2．2 聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍工艺流程\t96
4．2．3 真空磁控溅射工艺中镍靶的设计\t97
4．3 聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍设备\t98
4．3．1 概述\t98
4．3．2 聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍设备的设计要点\t100
4．3．3 聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍主机\t102
4．3．4 聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍辅助设施\t119
4．4 磁控溅射镀镍模芯的质量特性及控制\t122
4．4．1 磁控溅射镀镍模芯的质量参数\t122
4．4．2 质量检测与监控方法\t123
4．4．3 影响半成品质量的若干因素\t124
第五章 聚氨酯海绵导电化处理―化学镀镍法及涂炭胶法\t125
5．1 化学镀镍法\t125
5．1．1 化学镀镍法简介\t125
5．1．2 聚氨酯海绵化学镀镍生产工艺\t126
5．1．3 聚氨酯海绵化学镀镍生产设备及车间设计\t136
5．1．4 化学镀镍模芯质量指标及检测方法\t139
5．1．5 泡沫镍制造与化学镀镍工艺述评\t141
5．2 聚氨酯海绵导电化处理――涂炭胶法\t142
5．2．1 导电胶技术简介\t142
5．2．2 涂炭胶法工艺流程\t142
5．3 聚氨酯海绵导电化处理――其他方法\t144
5．4 不同方法制备的海绵模芯对比分析\t144
第六章 泡沫镍电铸技术\t147
6．1 金属的电沉积\t148
6．1．1 金属电沉积理论\t148
6．1．2 金属电沉积技术\t151
6．2 电镀镍与电铸镍\t154
6．2．1 电镀镍的不同电解液体系\t154
6．2．2 不同性状的电镀镍层\t155
6．2．3 电铸镍工艺技术\t156
6．3 电铸泡沫镍的原理及工艺\t158
6．3．1 电铸泡沫镍的电极过程动力学\t158
6．3．2 泡沫镍制造中的连续电铸工艺\t161
6．4 泡沫镍电铸设备\t168
6．4．1 国内外部分泡沫镍生产企业的主体铸设备简介\t168
6．4．2 泡沫镍电铸设备\t173
6．4．3 泡沫镍电铸设备――生产线控制系统\t179
6．5 泡沫镍半成品的质量特性及控制\t186
6．5．1 泡沫镍半成品的质量缺陷\t186
6．5．2 泡沫镍半成品质量缺陷的分析与控制\t187
第七章 泡沫镍制造的热处理技术\t192
7．1 泡沫镍热处理工艺――烘干、聚氨酯海绵去除和除氢\t192
7．1．1 烘干处理\t192
7．1．2 聚氨酯海绵的去除\t195
7．1．3 除氢\t201
7．2 泡沫镍制造的热处理工艺：高温还原\t202
7．2．1 镍的氧化与还原\t202
7．2．2 氢气作为高温还原剂的优势\t202
7．3 泡沫镍热处理工艺―退火\t204
7．3．1 关于内应力和晶体缺陷\t204
7．3．2 退火过程中的晶粒变化\t207
7．3．3 退火过程冷却工艺的控制\t214
7．3．4 退火后泡沫镍的组织与性能\t218
7．4 热处理设备\t220
7．4．1 热处理设备的总体结构\t220
7．4．2 放卷机\t221
7．4．3 焚烧炉\t222
7．4．4 还原炉\t224
7．4．5 冷却段\t225
7．4．6 收卷机\t226
7．5 热处理制成品―泡沫镍的质量控制\t227
第八章 泡沫镍的剪切、包装及储运\t230
8．1 泡沫镍的剪切工艺流程\t230
8．2 泡沫镍的剪切设备\t231
8．2．1 卧式分切机\t232
8．2．2 立式分切机\t238
8．2．3 剪切设备未来的发展趋势\t240
8．3 剪切和包装工序泡沫镍成品的质量控制\t242
8．4 泡沫镍成品的包装及储运管理\t244
8．4．1 泡沫镍成品的包装程序、技术要求及注意事项\t244
8．4．2 泡沫镍成品的储存要求\t245
8．4．3 泡沫镍成品运输过程的注意事项\t246
第九章 泡沫镍的无铜化生产\t247
9．1 铜对镍氢电池的危害\t247
9．2 洁净厂房的设计、施工与运行管理\t250
9．2．1 洁净厂房简介\t250
9．2．2 洁净厂房防铜的基本原则\t251
9．2．3 洁净厂房的设计\t252
9．2．4 洁净厂房的空气净化系统\t255
9．2．5 洁净厂房的运行管理\t258
9．3 洁净厂房内生产设备的防铜设计与管控\t266
第十章 泡沫镍产品的质量管理\t271
10．1 泡沫镍的主要质量指标及其检测方法\t272
10．1．1 外观尺寸及接头数\t272
10．1．2 电阻率\t275
10．1．3 力学性能\t277
10．1．4 孔数与孔径\t280
10．1．5 孔隙率\t282
10．1．6 面密度\t283
10．1．7 沉积厚度比\t287
10．1．8 化学成分及杂质含量限值\t291
10．2 扫描电子显微镜和能谱仪在泡沫镍质量控制中的应用\t291
10．2．1 扫描电子显微镜的工作原理及应用\t292
10．2．2 扫描电子显微镜应用实例\t293
10．3 泡沫镍产品的质量监测\t297
10．3．1 泡沫镍生产工艺流程\t297
10．3．2 泡沫镍生产过程的在线质量监测\t298
10．3．3 泡沫镍生产过程的人工质量监测\t300
10．4 泡沫镍生产质量管理体系\t305
10．4．1 质量管理体系概述\t305
10．4．2 ISO 9000族标准与企业的核心竞争力\t306
10．4．3 ISO 9001标准在泡沫镍质量管理中的实际应用\t309
10．4．4 推行ISO 9000族标准的经验\t316
第十一章 制造泡沫镍的关键原料\t320
11．1 聚氨酯海绵\t320
11．1．1 概述\t320
11．1．2 聚氨酯海绵的合成\t321
11．1．3 聚氨酯海绵的切片工艺与主要供应商\t322
11．1．4 聚氨酯海绵的储存与运输\t325
11．1．5 聚氨酯海绵的废弃处置办法\t326
11．2 金属镍\t327
11．2．1 镍靶基材\t327
11．2．2 镍阳极\t327
11．3 液氨\t331
11．3．1 概述\t331
11．3．2 氨分解制氢\t332
11．3．3 液氨安全管理说明\t333
11．4 镍盐\t333
11．4．1 概述\t333
11．4．2 电铸泡沫镍常用无机镍盐简介\t334
11．4．3 镍盐的存储与安全管理\t334
第十二章 泡沫镍生产安全技术与管理\t336
12．1 泡沫镍生产中的主要危险源\t336
12．1．1 危险化学品的特性\t336
12．1．2 泡沫镍生产过程中危险化学品所在工序及其状况\t338
12．1．3 泡沫镍生产中需重点监管的危险化学品――氨和氢气\t338
12．2 安全设计及防范要点\t342
12．2．1 工厂选址安全设计要点\t342
12．2．2 工厂平面布置安全设计要点\t342
12．2．3 厂房、建（构）筑物安全设计要点\t345
12．3　泡沫镍生产的安全管理\t346
12．3．1 工艺、设备操作指导书与安全作业证\t346
12．3．2 危险品管理及物料储存\t348
12．3．3 安全防护设施及配置的管理\t349
12．3．4 防火、防爆、防毒和防尘管理\t351
12．3．5 事故管理\t353
12．3．6 检修安全管理\t353
12．3．7 电气设备安全管理\t355
12．3．8 特种设备的使用管理\t356
第十三章 泡沫镍的绿色制造与智能生产\t359
13．1 概述\t359
13．1．1 三次浪潮和四次工业革命\t359
13．1．2 关于绿色制造\t361
13．1．3 关于智能制造\t362
13．2 泡沫镍绿色制造理念与创新实例\t363
13．2．1 工业三废治理的零排放和完善化目标\t363
13．2．2 镍消耗的降低\t367
13．2．3 生产水耗的降低\t371
13．2．4 生产能耗降低及新能源结构的展望\t373
13．2．5 降低生产成本的其他实例\t376
13．3 泡沫镍智能生产理念与创新实例\t377
13．3．1 SCADA系统在泡沫镍生产管理中的开发应用\t377
13．3．2 工程品质管理子系统的开发\t379
13．3．3 电铸电解液在线监测及酸自控补加系统的开发\t380
13．3．4 多级电铸电流密度优化分配工艺技术的开发\t381
13．3．5 热处理工艺技术的优化\t382
13．3．6 阳极钛篮镍在线振动夯实装置的开发\t383
第三篇　泡沫镍的性能和应用
第十四章 泡沫镍的性能\t387
14．1 泡沫镍的材料力学性能\t388
14．1．1 泡沫镍与材料力学概述\t388
14．1．2 泡沫镍的拉伸性能\t390
14．1．3 泡沫镍的压缩性能\t396
14．1．4 泡沫镍的能量吸收和抗冲击概述\t403
14．1．5 泡沫镍的疲劳性能\t409
14．2 泡沫镍的声学性能\t411
14．2．1 泡沫金属的声学性能概述\t411
14．2．2 泡沫镍的声学性能研究\t415
14．3 泡沫镍的热学性能\t416
14．3．1 泡沫金属的热学性能概述\t416
14．3．2 泡沫金属在热传导工程中的实际应用\t420
14．3．3 泡沫镍的热学性能研究\t421
14．4 泡沫镍的电磁学性能\t422
14．4．1 泡沫镍的电阻率测量\t422
14．4．2 影响泡沫镍电导率的因素\t424
14．4．3 泡沫镍和泡沫金属的电磁屏蔽性能\t427
14．5 泡沫镍的各向异性\t429
14．5．1 泡沫镍各向异性的成因\t430
14．5．2 泡沫镍各向异性的特征\t431
第十五章 泡沫镍的应用\t436
15．1 在化学电源领域的应用\t438
15．1．1 在镍系列电池中的应用及展望\t438
15．1．2 在超级电容器中的应用\t441
15．1．3 在燃料电池中的应用\t443
15．1．4 在锂电池中的应用\t448
15．1．5 在其他化学电源中的应用\t454
15．2 在电化学工程领域的应用\t456
15．2．1 在电化学水处理技术中的应用\t456
15．2．2 在电催化水分解制氢技术中的应用\t458
15．2．3 在有机电化学领域中的应用\t460
15．2．4 在电化学传感器技术中的应用\t461
15．3 在化学工程领域的应用\t462
15．3．1 在化工催化反应中的应用\t462
15．3．2 在分离过滤技术中的应用\t466
15．3．3 在热工技术中的应用\t467
15．3．4 在其他化工技术中的应用\t468
15．4 在功能材料领域的应用\t470
15．4．1 在电磁屏蔽技术中的应用\t470
15．4．2 在消声降噪技术中的应用\t471
15．4．3 在吸能减振技术中的应用\t471
参考文献\t472