纳米多孔铜的制备及其形成机理研究

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纳米多孔金属材料是一种兼具功能和结构双重属性的新型工程材料,不仅保留了金属的可焊性、延展性、导电性等特性,还具有高比表面积、良好化学稳定性和高的屈服强度等性能特点,纳米多孔金属可望在催化、传感、驱动和热交换等领域获得广泛应用。本文选择Mg-Cu,Al-Cu合金并采用快速凝固与去合金化相结合的方法制备纳米多孔铜,用XRD、SEM分析样品的相组成和微观形貌,研究了去合金化工艺参数中的腐蚀液、腐蚀时间及腐蚀温度对纳米多孔铜孔结构的影响以及纳米多孔铜的形成机制。研究结果表明:Al-Cu合金去合金化后可知,不同成分(Al67Cu33,Al62Cu38,Al57Cu43,Al50Cu50)的Al-Cu合金均可以通过自由腐蚀去合金化获得纳米多孔铜。除由单一AlCu相组成的Al50Cu50合金之外,其余的(Al67Cu33,Al62Cu38,Al57Cu43)都可以获得双连续结构的纳米多孔铜。随着温度的升高,孔径逐渐增大,在较高温度下孔结构易受到破坏。随着腐蚀时间的延长,孔结构有显著的演化过程,而后孔壁逐渐粗化。实验发现,Al2Cu、AlCu腐蚀的协同作用对双连续结构的形貌有重要的影响,Al-Cu合金中Al2Cu相是形成双连续结构纳米多孔铜的必要条件,少量的AlCu相对双连续结构形貌有重要的影响,其与Al2Cu相的协同作用对获得更高比表面积,更均匀细小的双连续结构有着积极的推动作用,随着AlCu相的增多其积极作用逐渐转变为抑制作用。Mg-Cu合金去合金化后可知,不同成分的Mg-Cu合金中,除由单一MgCu2相组成的Mg33Cu67合金之外,其余的(Mg67Cu33,Mg60Cu40,Mg50Cu50和Mg40Cu60)都可以通过自由腐蚀去合金化制备双连续结构纳米多孔铜。通过控制腐蚀温度和时间能够获得不同孔径尺寸的纳米多孔铜。并且无论是有单一Mg2Cu相组成的单相Mg-Cu合金,还是由Mg2Cu和MgCu2相共同组成的双相Mg-Cu合金,都可以通过去合金化获得双连续结构纳米多孔铜。实验结果可知,Mg-Cu合金中的Mg2Cu相和MgCu2相的去合金化机理完全不同,相对于Mg2Cu相,MgCu2相的去合金化过程更加困难和复杂,同时,在去合金化过程中,低电位的Mg2Cu相对高电位的MgCu2相的去合金化有促进作用, MgCu2相对于获得更均匀的纳米多孔铜具有积极作用,随其量的增多去合金化过程难以进行。对于双相合金来说,合金的相组成对其去合金化过程有着更大的影响,需要双相合金中的两相的含量并且电化学性能有较大的差异。
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