CN102154816A - FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维与制备方法和应用 - Google Patents

FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维与制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维与制备方法和应用。采用传统电镀手段在经过前处理后的连续碳纤维表面先后电镀FeCo合金和Cu镀层，经过热氧化形成CuO镀层，并且表面生成直径约为100nm的柱状CuO。通过合金、氧化物双镀层来改善碳纤维的电磁参数，改性后的磁性碳纤维具有宽频、高强度的微波吸收性能，在2-18GHz频率段均具有小于-10dB的微波损耗，在频率为9.6GHz时，厚度仅为1.6mm的复合材料表现出最大微波吸收值，为-47.56dB。本发明提供的磁性碳纤维具有均匀、致密的磁性双镀层，制备工艺简单，生产效率高，微波吸收性能优异，可作为新型的低密度微波吸收材料。

Description

FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维与制备方法和应用
技术领域
本发明属于微波吸收材料领域，特别涉及一种FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维与制备方法和应用。
背景技术
碳纤维导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，密度低，强度和模量高，无蠕变，耐疲劳，耐腐蚀性，可作为优良的的结构吸波材料。从理论上讲，良好的微波吸收性能要求材料具有高的电损耗和磁损耗，但碳纤维本身不具有磁性，因此通过表面镀覆，在其表面获得一层磁性镀层，是使碳纤维材料具备磁损耗性能的一种有效的途径。相对于溅射法、离子镀膜法、金属粉末喷涂、金属涂敷和化学镀等表面金属化方法，电镀法设备简单，成本低，可连续生产，具有良好的应用前景。碳纤维表面电镀Ni、Fe、Cu等单一金属已有报道，镀Ni碳纤维已经在电磁屏蔽领域获得应用，但是有关碳纤维表面电镀磁性合金镀层以及双镀层的研究较少。FeCo合金作为软磁材料具有一系列优异的磁性能，如高饱和磁化强度、高起始磁导率和最大磁导率、磁滞伸缩小、居里温度高等。文献报道FeCo合金粉体具有良好的微波吸收性能。同时，表面具有纳米结构的CuO被证明具有铁磁性，表现出优异的微波吸收性能。双镀层的多界面结构有利于增大材料的微波吸收，因此通过电镀法和热处氧化在碳纤维表面制备出FeCo合金/CuO双镀层具有重要的理论和实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维与制备方法和应用。它是通过电镀法和热氧化法在碳纤维表面沉积出均匀的FeCo合金、CuO双镀层的制备方法。本发明在常用电镀装置上进行FeCo合金和Cu的电镀，然后在空气气氛中进行加热氧化，设备工艺简单，省时，适合进行工业化生产。
本发明提供的FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维是在连续碳纤维表面具有电沉积FeCo合金和CuO镀层，具体制备方法是连续碳纤维作为阴极铁金属为阳极，在铁和钴二价盐的溶液中电镀出FeCo合金层，然后再分别以纯铜为阳极和镀覆FeCo合金后的碳纤维为阴极，在铜盐的溶液中电镀出Cu镀层，加热氧化使Cu镀层转变为CuO镀层。
所述的连续碳纤维是聚丙烯腈基连续碳纤维、沥青或胶粘基连续碳纤维。所述的FeCo合金/CuO双镀层中FeCo合金镀层和CuO镀层厚度均为0.5-1.0μm。
本发明提供的一种FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维的制备方法包括如下步骤：
1)将连续碳纤维在马弗炉中450～500℃下保温氧化15～20min，然后在体积分数为50％的硝酸溶液中浸泡1～2h。
2)电镀合金以纯金属铁板为阳极，碳纤维作为阴极。合金镀液成分为：铁和钴两种二价硫酸盐浓度均为90～100g/L，硼酸浓度为30～40g/L，十六烷基硫酸钠浓度为0.1g/L，pH值用稀硫酸溶液调节至3～4。通入直流电流，电流0.5A，在30～40℃下电磁搅拌，电镀时间5min，产物清洗，风干。
3)电镀Cu以纯铜片为阳极，镀覆FeCo合金后的碳纤维为阴极。铜镀液成分为：硫酸铜50g/L，硫酸150g/L，十六烷基硫酸钠浓度为0.1g/L。电流0.5A，25℃下电磁搅拌，电镀时间3min，产物清洗，风干。
4)双镀层碳纤维在马弗炉中加热至400℃，保温4h，随炉冷却。
本发明提供的FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维的应用，该材料用于微波吸收材料领域。
本发明在传统碳纤维单层电镀改性手段的基础上，首次提出了FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维，通过两次电镀和热氧化在碳纤维表面获得均匀致密的FeCo合金和CuO镀层。电镀法加热氧化法得到的合金、氧化物双镀层结构能够有效改善碳纤维的电磁参数，优化阻抗匹配，减弱合金表面对电磁波的反射，并且表面柱状CuO和多镀层界面结构在实际应用中均有利于增大对微波的吸收。此外，对连续碳纤维进行电镀加热氧化，相比其他碳类材料的电磁改性手段，具有工艺简单，生产效率高的优势。
附图说明
图1为镀覆Fe-Co合金/CuO双镀层磁性碳纤维的扫描电镜(SEM)照片。
图2为双镀层磁性碳纤维的X射线衍射(XRD)图。
图3为双镀层磁性碳纤维常温下的磁滞回线。
图4为双镀层磁性碳纤维/石蜡复合材料(质量分数为50％)的电磁参数与理论微波反射损耗。
实施例
碳纤维的前处理：首先将连续碳纤维(聚丙烯腈基连续碳纤维，大连兴科碳纤维有限公司，编号DLXK2003，每束包含12000根碳纤维单丝，单丝直径约7μm)在马弗炉中500℃下保温15min，然后在40ml体积分数为50％的硝酸溶液中浸泡1h氧化处理。
FeCo合金镀液的组成为：硫酸亚铁和二价硫酸钴浓度均为90g/L，硼酸浓度为30g/L，十六烷基硫酸钠浓度为0.1g/L，pH值用质量分数为10％的稀硫酸溶液调节至3～4。电镀FeCo合金以纯度为99.99％的高纯铁板为阳极，氧化处理之后的碳纤维作为阴极，电流0.5A，35℃下电磁搅拌，电镀时间5min。产物用去离子水、酒精依次进行清洗，风干。
Cu镀液的组成为：硫酸铜50g/L，硫酸150g/L，十六烷基硫酸钠浓度为0.1g/L。电镀Cu以纯度为99.9999％的纯铜片为阳极，镀覆FeCo合金后的碳纤维为阴极，电流0.5A，25℃下电磁搅拌，电镀时间3min，产物用去离子水、酒精依次进行清洗，风干。
将上一步得到的双镀层碳纤维在马弗炉中加热至400℃，升温速度10℃/min，保温4h，随炉冷却，得到FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维，FeCo合金镀层和CuO镀层厚度均为0.5-1.0μm。
所得产物进行SEM、XRD、磁性能和电磁参数测试。
测试结果：图1为SEM形貌照片，a，b分别为FeCo合金碳纤维和FeCo合金/Cu碳纤维，c，d和e为FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维，可以看出镀层均匀致密，热氧化后得到的CuO表面有直径约为100nm的柱状CuO生成。图2中XRD结果显示，双镀层成分主要为FeCo合金和CuO。图3常温下磁滞回线表明FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维具有典型的铁磁性。图4中a和b分别为双镀层磁性碳纤维/石蜡复合材料的介电常数和磁导率，c为理论微波反射损耗曲线，可以看出该材料在整个2-18GHz频段都具有小于-10dB的微波损耗，在9.6GHz处具有最大损耗值，为-47.56dB，厚度仅为1.6mm。可以看出该双镀层磁性碳纤维复合材料具有优异的微波吸收性能。

Claims (6)

1.一种FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维，其特征在于它是连续碳纤维表面具有电沉积FeCo合金和CuO镀层，具体制备方法是以连续碳纤维作为阴极铁金属为阳极，在铁和钴二价盐的溶液中电镀出FeCo合金层，然后再分别以纯铜为阳极和镀覆FeCo合金后的碳纤维为阴极，在铜盐的溶液中电镀出Cu镀层，加热氧化使Cu镀层转变为CuO镀层。
2.按照权利要求1所述的FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维，其特征在于所述的FeCo合金/CuO双镀层中FeCo合金镀层和CuO镀层厚度均为0.5-1.0μm。
3.按照权利要求1或2所述的FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维，其特征在于所述的连续碳纤维是聚丙烯腈基连续碳纤维、沥青或胶粘基连续碳纤维。
4.按照权利要求1或2所述的FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维，其特征在于表层的CuO具有直径约为100nm的柱状结构。
5.一种权利要求1所述的FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)将连续碳纤维在马弗炉中450～500℃下保温15～20min，然后在体积分数为50％的硝酸溶液中浸泡1～2h；
2)以纯度为99.99％的金属板为阳极，连续碳纤维作为阴极，通入直流电流，电流0.5A，在30～40℃下搅拌，电镀时间5min，电镀完成的碳纤维用去离子水和酒精分别冲洗，风干；电镀液为：硫酸亚铁和二价硫酸钴浓度均为90～100g/L，硼酸浓度为30～40g/L，十六烷基硫酸钠浓度为0.1g/L，pH值用稀硫酸溶液调节至3～4；
3)以纯度为99.9999％的金属Cu板为阳极，电镀FeCo合金碳纤维作为阴极，通入直流电流，电流0.5A，在25℃下搅拌，电镀时间3min，电镀完成后用去离子水和酒精分别冲洗，风干；Cu镀液为：硫酸铜45～55g/L，硫酸150g/L，十六烷基硫酸钠浓度为0.1g/L；
4)电镀铜后碳纤维在马弗炉中加热至380～420℃，升温速度10℃/min，保温3～5h，随炉冷却。
6.权利要求1所述的FeCo合金/CuO双镀层磁性碳纤维在微波吸收材料上的应用。
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