一种调控金属材料晶面取向的方法及其获得的金属材料和应用技术

本发明专利技术涉及一种调控金属材料晶面取向的方法及其获得的金属材料和应用，方法包括以下两个步骤，通过引入残余应力，再通过低温退火调控金属材料的晶面取向，获得择优甚至是单一晶面取向，用于调控金属材料的电化学电子

【技术实现步骤摘要】
一种调控金属材料晶面取向的方法及其获得的金属材料和应用

：
[0001]本专利技术属于金属材料晶面取向调控方法
，具体涉及一种调控金属材料晶面取向的方法及其获得的材料，以及在电化学领域中的应用。

技术介绍
：
[0002]金属材料在能源材料领域有着极为广泛的应用，二次金属电池由于其高的理论比容量和工作电压近年来也得到了广泛的发展，然而金属负极在沉积/剥离(金属负极)或者脱出/嵌入(合金化负极)离子过程中面临着枝晶生长，结构膨胀，和反应活性低等问题，因此其发展受到了严重的限制。使用金属材料作为HER和二氧化碳还原等催化反应的电极材料，因为催化活性低导致高的过电位，使得催化效率低，也阻碍其在催化领域上的应用。
[0003]在金属电极材料的制备过程中，晶面取向的因素往往容易被忽视，然而，不同晶面取向所暴露的界面结构对金属沉积有着重要的影响，且商业化的集流体材质也往往是多晶面取向且无规律分布的。不同的晶面取向有着不同的反应活性，这意味着金属在沉积剥离的过程中受到晶面的影响，其生长速度会有显著差异，不利于金属的均匀沉积和剥离。通过简易且可规模化生产的方法来合成具有高反应活性择优的晶面或者单一晶面取向的金属材料，用于消除因为晶面性质差异而诱导的枝晶生长，可以显著提升金属负极循环稳定性，进而推进金属负极的产业化应用。
[0004]另外，单一和择优晶面取向的材料在能源催化，电子电工材料上也有着重要的应用，特定晶面取向的金属材料及其合成方法在这些领域中有潜在的应用价值。

技术实现思路
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[0005]因为金属界面晶面取向差异会影响材料的导电性、光学性质等其它物理化学性质。本专利技术的首要目的旨在提供一种简单，低能耗、可工业化生产的方法来调控金属界面的晶面取向，可以极大的推动金属晶面调控的产业化进展。
[0006]一种调控金属材料晶面取向的方法，包括以下步骤：
[0007]⑴
选用具有残余应力的金属材料；优选采用包括压延、剪切或者拉伸方法中的至少一种获得残余应力，进一步优选采用压延的方法；
[0008]⑵
退火获得具有单一晶面取向或者高择优晶面取向的金属材料；其中，高择优晶面取向是指某一种晶面取向占比达到所有晶面取向的80％以上，优选85％以上；但未达到100％。
[0009]本专利技术主要是通过预施加压应力产生的残余应力来提供额外的晶体生长与融合的动力。除了压应力外，剪切应力、拉应力等产生的残余应力也可以起到类似的效果。
[0010]本专利技术能快速地通过机械对辊方法，将金属箔材或网状材料引入机械应力，然后生成残余应力，可以为诱导金属发生晶粒融合与长大提供动力。通过热应力退火来直接驱动晶粒融合与转向行为，这种驱动力不是表面能驱动，而是残余应力驱动。
[0011]上述的方法，通过对金属材料的箔材或者网状材料施加100MPa
‑
4000 MPa的压应力；优选200
‑
1000MPa，进一步优选200
‑
600MPa。
[0012]优选压延次数1
‑
10次；进一步优选1
‑
6次，最优选4
‑
6次。且对金属材料暴露的晶面结构没有显著的变化。
[0013]上述的方法，压延速率在0.1
‑
2m/s；优选0.1
‑
0.6m/s，进一步优选0.4
‑
0.6m/s。这种较为快速的压力会在金属基底中产生较大的残余应力。
[0014]上述的方法，所述的金属材料是具有高度延展性的金属材料，优选包括：Zn、Fe、Ni、Al、Cu、Au、Ag、Pt中的至少一种。
[0015]上述的方法，退火温度为200
‑
1000℃，保温时间在0.5
‑
20h，优选0.5
‑
16h。Zn、Fe、Ni、Al、Cu、Au、Ag、Pt的优选退火温度和保温时间分别为：Zn为400
‑
418℃，至少8h，优选8
‑
16h，进一步优选11
‑
13h；Fe为800
‑
950℃，优选850
‑
950℃，至少4h，优选4
‑
8h，进一步优选4
‑
6h；Ni为900
‑
1000℃，至少3h，优选3
‑
6h，进一步优选3
‑
5h；Al为500
‑
615℃，至少3h，优选3
‑
6h，进一步优选3
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5h；Cu为200
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800℃，优选200
‑
500℃，进一步优选300
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450℃，至少0.5h，优选0.5
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6h，进一步优选3
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5h；Au为600
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1000℃，优选750
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850℃，至少2h，优选2
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6h，进一步优选3
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5h；Ag为700
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900℃，优选750
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850℃，至少1h，优选1
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6h，进一步优选3
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5h；Pt为800
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1000℃，优选900
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1000℃，至少3h，优选3
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12h，进一步优选3
‑
5h。
[0016]本专利技术退火温度的选择和材料的熔点有关，如：对于铜和镍箔而言，退火温度可以在200
‑
1000℃之间，可以远低于材料的熔点。对于锌箔而言，退火温度需要在熔点附近。另外退火温度的选择和金属体相内的残余应力也有关系，残余应力大，面临的热驱动力可以降低，退火温度也可以降低。
[0017]例如：本专利技术使用的应力退火方法首次获得了大面积的全择优单一晶面取向的锌箔材料；且在以往的报道中，铜箔的退火温度需要高于1000℃才可能实现全择优单一晶面取向，而本专利技术大大降低了全择优单一晶面铜箔的退火温度，降低了能耗。
[0018]上述的方法，退火升温速率在2
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12℃/min，优选5
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10℃/min。
[0019]上述的方法，退火氛围是在还原性气氛中进行，优选H2或者CH4。
[0020]上述的方法，退火保温结束后，自然冷却即可。
[0021]上述方法，由于金属表面氧化层的存在会阻碍金属晶粒的融合和偏转，因此优选在压延后，退火前使用化学抛光去除表面薄的氧化层。
[0022]由于使用简单的退火工艺不能提供足够的用于金属晶粒发生融合和偏转的动力，本专利技术突破性的引用预施加应力的方法，为驱动晶体转向与晶界融合提供除热力作用外的其它作用力，实现了在低温下即发生高度的晶体择优的生长排列。
[0023]本专利技术的第二个目的是提供上述的方法调控获得的金属材料。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种调控金属材料晶面取向的方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴
选用具有残余应力的金属材料；优选采用包括压延、剪切或者拉伸方法中的至少一种获得残余应力，进一步优选采用压延的方法；
⑵
退火获得具有单一晶面取向或者高择优晶面取向的金属材料；其中，高择优晶面取向是指某一种晶面取向占比达到所有晶面取向的80％以上，优选85％以上。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对金属材料的箔材或者网状材料施加100MPa
‑
4000MPa的压应力；优选200
‑
1000MPa，进一步优选200
‑
600MPa；优选压延次数1
‑
10次；进一步优选1
‑
6次，最优选4
‑
6次。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，压延速率在0.1
‑
2m/s；优选0.1
‑
0.6m/s，进一步优选0.4
‑
0.6m/s。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的金属材料具有延展性，优选包括：Zn、Fe、Ni、Al、Cu、Ag、Au、Pt中的至少一种。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，退火温度为200
‑
1000℃，保温时间在0.5
‑
20h，优选0.5
‑
16h；Zn、Fe、Ni、Al、Cu、Au、Ag、Pt的优选退火温度和保温时间分别为：Zn为400
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418℃，至少8h，优选8
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16h，进一步优选11
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13h；Fe为800
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950℃，优选850
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950℃，至少4h，优选4
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8h，进一步优选4
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6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海燕，谢春霖，杨泽芳，唐有根，张旗，姬慧敏，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：