泡沫镍 制造、性能和应用

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近期新研究结果和进展。

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近期新研究结果和进展。

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优选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

第一篇镍、多孔金属、泡沫镍概论
第一章镍3
1.1镍的自然属性3
1.1.1镍的物理、化学性质3
1.1.2镍的主要化合物及其性质4
1.1.3镍在生物体中的作用和危害5
1.2镍的冶炼7
1.2.1镍矿的类型7
1.2.2镍矿资源的分布8
1.2.3镍的冶炼工艺10
1.3镍在国民经济中的应用13
1.3.1镍在不锈钢中的应用14
1.3.2镍在镍基合金中的应用14
1.3.3镍在表面工程技术中的应用17
1.3.4镍在镍系列电池中的应用19
1.3.5镍在工业催化中的应用22
1.4镍资源的回收利用23
1.4.1镍资源回收的现状和问题23
1.4.2镍资源回收利用技术24
第二章多孔材料与多孔金属26
2.1多孔材料26
2.1.1多孔材料的结构特征27
2.1.2多孔材料的分类27
2.1.3蜂窝材料30
2.1.4多孔材料的应用31
2.2多孔金属（泡沫金属）33
2.2.1泡沫金属的发展33
2.2.2泡沫金属的制造方法34
2.2.3泡沫金属的特性37
2.2.4泡沫金属的应用39
2.3泡沫镍39
2.3.1泡沫镍的孔结构特征40
2.3.2泡沫镍的产品质量与制造方法41
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42
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45
3.1泡沫镍制造技术在中国的开发历程45
3.1.1技术背景45
3.1.2块状泡沫镍的开发48
3.1.3连续带状泡沫镍的开发52
3.2连续带状泡沫镍制造技术的创新与进步54
3.2.1真空磁控溅射的技术创新55
3.2.2电铸技术创新65
3.2.3电铸镍废水处理的技术创新——膜分离技术77
3.3泡沫镍产业的现状及未来展望80
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87
4.1真空理论及真空技术87
4.1.1真空的基本概念87
4.1.2真空物理学基础88
4.1.3真空状态的表征90
4.1.4真空状态的获得91
4.1.5真空检漏94
4.2聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍工艺95
4.2.1真空磁控溅射镀膜的基本原理95
4.2.2聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍工艺流程96
4.2.3真空磁控溅射工艺中镍靶的设计97
4.3聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍设备98
4.3.1概述98
4.3.2聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍设备的设计要点100
4.3.3聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍主机102
4.3.4聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍辅助设施119
4.4磁控溅射镀镍模芯的质量特性及控制122
4.4.1磁控溅射镀镍模芯的质量参数122
4.4.2质量检测与监控方法123
4.4.3影响半成品质量的若干因素124
第五章聚氨酯海绵导电化处理―化学镀镍法及涂炭胶法125
5.1化学镀镍法125
5.1.1化学镀镍法简介125
5.1.2聚氨酯海绵化学镀镍生产工艺126
5.1.3聚氨酯海绵化学镀镍生产设备及车间设计136
5.1.4化学镀镍模芯质量指标及检测方法139
5.1.5泡沫镍制造与化学镀镍工艺述评141
5.2聚氨酯海绵导电化处理——涂炭胶法142
5.2.1导电胶技术简介142
5.2.2涂炭胶法工艺流程142
5.3聚氨酯海绵导电化处理——其他方法144
5.4不同方法制备的海绵模芯对比分析144
第六章泡沫镍电铸技术147
6.1金属的电沉积148
6.1.1金属电沉积理论148
6.1.2金属电沉积技术151
6.2电镀镍与电铸镍154
6.2.1电镀镍的不同电解液体系154
6.2.2不同性状的电镀镍层155
6.2.3电铸镍工艺技术156
6.3电铸泡沫镍的原理及工艺158
6.3.1电铸泡沫镍的电极过程动力学158
6.3.2泡沫镍制造中的连续电铸工艺161
6.4泡沫镍电铸设备168
6.4.1国内外部分泡沫镍生产企业的主体铸设备简介168
6.4.2泡沫镍电铸设备173
6.4.3泡沫镍电铸设备——生产线控制系统179
6.5泡沫镍半成品的质量特性及控制186
6.5.1泡沫镍半成品的质量缺陷186
6.5.2泡沫镍半成品质量缺陷的分析与控制187
第七章泡沫镍制造的热处理技术192
7.1泡沫镍热处理工艺——烘干、聚氨酯海绵去除和除氢192
7.1.1烘干处理192
7.1.2聚氨酯海绵的去除195
7.1.3除氢201
7.2泡沫镍制造的热处理工艺：高温还原202
7.2.1镍的氧化与还原202
7.2.2氢气作为高温还原剂的优势202
7.3泡沫镍热处理工艺―退火204
7.3.1关于内应力和晶体缺陷204
7.3.2退火过程中的晶粒变化207
7.3.3退火过程冷却工艺的控制214
7.3.4退火后泡沫镍的组织与性能218
7.4热处理设备220
7.4.1热处理设备的总体结构220
7.4.2放卷机221
7.4.3焚烧炉222
7.4.4还原炉224
7.4.5冷却段225
7.4.6收卷机226
7.5热处理制成品―泡沫镍的质量控制227
第八章泡沫镍的剪切、包装及储运230
8.1泡沫镍的剪切工艺流程230
8.2泡沫镍的剪切设备231
8.2.1卧式分切机232
8.2.2立式分切机238
8.2.3剪切设备未来的发展趋势240
8.3剪切和包装工序泡沫镍成品的质量控制242
8.4泡沫镍成品的包装及储运管理244
8.4.1泡沫镍成品的包装程序、技术要求及注意事项244
8.4.2泡沫镍成品的储存要求245
8.4.3泡沫镍成品运输过程的注意事项246
第九章泡沫镍的无铜化生产247
9.1铜对镍氢电池的危害247
9.2洁净厂房的设计、施工与运行管理250
9.2.1洁净厂房简介250
9.2.2洁净厂房防铜的基本原则251
9.2.3洁净厂房的设计252
9.2.4洁净厂房的空气净化系统255
9.2.5洁净厂房的运行管理258
9.3洁净厂房内生产设备的防铜设计与管控266
第十章泡沫镍产品的质量管理271
10.1泡沫镍的主要质量指标及其检测方法272
10.1.1外观尺寸及接头数272
10.1.2电阻率275
10.1.3力学性能277
10.1.4孔数与孔径280
10.1.5孔隙率282
10.1.6面密度283
10.1.7沉积厚度比287
10.1.8化学成分及杂质含量限值291
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291
10.2.1扫描电子显微镜的工作原理及应用292
10.2.2扫描电子显微镜应用实例293
10.3泡沫镍产品的质量监测297
10.3.1泡沫镍生产工艺流程297
10.3.2泡沫镍生产过程的在线质量监测298
10.3.3泡沫镍生产过程的人工质量监测300
10.4泡沫镍生产质量管理体系305
10.4.1质量管理体系概述305
10.4.2ISO9000族标准与企业的核心竞争力306
10.4.3ISO9001标准在泡沫镍质量管理中的实际应用309
10.4.4推行ISO9000族标准的经验316
第十一章制造泡沫镍的关键原料320
11.1聚氨酯海绵320
11.1.1概述320
11.1.2聚氨酯海绵的合成321
11.1.3聚氨酯海绵的切片工艺与主要供应商322
11.1.4聚氨酯海绵的储存与运输325
11.1.5聚氨酯海绵的废弃处置办法326
11.2金属镍327
11.2.1镍靶基材327
11.2.2镍阳极327
11.3液氨331
11.3.1概述331
11.3.2氨分解制氢332
11.3.3液氨安全管理说明333
11.4镍盐333
11.4.1概述333
11.4.2电铸泡沫镍常用无机镍盐简介334
11.4.3镍盐的存储与安全管理334
第十二章泡沫镍生产安全技术与管理336
12.1泡沫镍生产中的主要危险源336
12.1.1危险化学品的特性336
12.1.2泡沫镍生产过程中危险化学品所在工序及其状况338
12.1.3泡沫镍生产中需重点监管的危险化学品——氨和氢气338
12.2安全设计及防范要点342
12.2.1工厂选址安全设计要点342
12.2.2工厂平面布置安全设计要点342
12.2.3厂房、建（构）筑物安全设计要点345
12.3泡沫镍生产的安全管理346
12.3.1工艺、设备操作指导书与安全作业证346
12.3.2危险品管理及物料储存348
12.3.3安全防护设施及配置的管理349
12.3.4防火、防爆、防毒和防尘管理351
12.3.5事故管理353
12.3.6检修安全管理353
12.3.7电气设备安全管理355
12.3.8特种设备的使用管理356
第十三章泡沫镍的绿色制造与智能生产359
13.1概述359
13.1.1三次浪潮和四次工业革命359
13.1.2关于绿色制造361
13.1.3关于智能制造362
13.2泡沫镍绿色制造理念与创新实例363
13.2.1工业三废治理的零排放和完善化目标363
13.2.2镍消耗的降低367
13.2.3生产水耗的降低371
13.2.4生产能耗降低及新能源结构的展望373
13.2.5降低生产成本的其他实例376
13.3泡沫镍智能生产理念与创新实例377
13.3.1SCADA系统在泡沫镍生产管理中的开发应用377
13.3.2工程品质管理子系统的开发379
13.3.3电铸电解液在线监测及酸自控补加系统的开发380
13.3.4多级电铸电流密度优化分配工艺技术的开发381
13.3.5热处理工艺技术的优化382
13.3.6阳极钛篮镍在线振动夯实装置的开发383
第三篇泡沫镍的性能和应用
第十四章泡沫镍的性能387
14.1泡沫镍的材料力学性能388
14.1.1泡沫镍与材料力学概述388
14.1.2泡沫镍的拉伸性能390
14.1.3泡沫镍的压缩性能396
14.1.4泡沫镍的能量吸收和抗冲击概述403
14.1.5泡沫镍的疲劳性能409
14.2泡沫镍的声学性能411
14.2.1泡沫金属的声学性能概述411
14.2.2泡沫镍的声学性能研究415
14.3泡沫镍的热学性能416
14.3.1泡沫金属的热学性能概述416
14.3.2泡沫金属在热传导工程中的实际应用420
14.3.3泡沫镍的热学性能研究421
14.4泡沫镍的电磁学性能422
14.4.1泡沫镍的电阻率测量422
14.4.2影响泡沫镍电导率的因素424
14.4.3泡沫镍和泡沫金属的电磁屏蔽性能427
14.5泡沫镍的各向异性429
14.5.1泡沫镍各向异性的成因430
14.5.2泡沫镍各向异性的特征431
第十五章泡沫镍的应用436
15.1在化学电源领域的应用438
15.1.1在镍系列电池中的应用及展望438
15.1.2在超级电容器中的应用441
15.1.3在燃料电池中的应用443
15.1.4在锂电池中的应用448
15.1.5在其他化学电源中的应用454
15.2在电化学工程领域的应用456
15.2.1在电化学水处理技术中的应用456
15.2.2在电催化水分解制氢技术中的应用458
15.2.3在有机电化学领域中的应用460
15.2.4在电化学传感器技术中的应用461
15.3在化学工程领域的应用462
15.3.1在化工催化反应中的应用462
15.3.2在分离过滤技术中的应用466
15.3.3在热工技术中的应用467
15.3.4在其他化工技术中的应用468
15.4在功能材料领域的应用470
15.4.1在电磁屏蔽技术中的应用470
15.4.2在消声降噪技术中的应用471
15.4.3在吸能减振技术中的应用471
参考文献472