CN105177652A

CN105177652A - 一种碳纤维镀层工艺

Info

Publication number: CN105177652A
Application number: CN201510718233.XA
Authority: CN
Inventors: 沈秋
Original assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2015-12-23

Abstract

本发明公开了一种碳纤维镀层工艺，包括：碳纤维水洗——碳纤维加热去胶——超声波丙酮清洗——碳纤维粗化——酸洗中和——碳纤维敏化和活化——一次电化学沉积——二次电化学沉积——碳纤维水洗——热风吹干——质量检验。碳纤维加热去胶温度200-250度，粗化采用35％的硝酸溶液，浸泡25min。碳纤维电化学沉积工艺参数包括15-20g/L氯化镍，20-30g/L乙二胺，10-15ml/L次磷酸钠，稳定剂0.1-0.2g/L，添加剂0.5-0.7g/L，PH12.5-13.5，电流密度0.5-0.7A/dm²，温度为40-50度，第一次电化学沉积时间为5-7min，第二次镀镍时间3-4min。该工艺采用两次电化学沉积，可以有效提高镀层的厚度和镀层的质量，从而大大提高碳纤维的导电性和物理力学性能，具有很好的应用前景。

Description

一种碳纤维镀层工艺

技术领域

本发明涉及一种碳纤维镀层工艺。

背景技术

碳纤维是一种主要以杂化形成的一维结构碳材料。根据其合成方式和直径不同可分为：有机前躯体碳纤维(如聚丙烯腈基、粘胶丝基、沥青基碳纤维等)、气相生长碳纤维(vapor-growncarbonfiberS简称VGCFS)、气相生长纳米碳纤维(vapor.growncarbonnanofiberS简称VGCNFS)。其中，气相生长法制备纳米碳纤维材料一般用过渡族金属Fe、Co、Ni及其合金超细颗粒为催化剂，以低碳烃化合物为碳源，氢气为载气，在6000一12000度下生成的一种纳米尺度碳纤维。VGCM毽的制备主要有3种方法：基体法、喷淋法或流动催化剂法和改进的流动催化剂法。目前，世界各国的科学家对VGCNFS的生长机理还没有一个统一的认识，在许多方面还有争议。例如，碳在催化剂颗粒中的扩散是靠温度梯度为推动力还是靠浓度梯度为推动力也是一个争论的焦点。

自从1991年Iijima发现CNTS以来，由于其特殊的物理性能和力学性能而引起科学家们的广泛兴趣，同时也促进了气相生长碳纤维在纳米尺度上即VGCNFS的研究。直径在10nm一500nm的CNFS是一种新型的碳纳米材料，问世以来引起了人们极大的兴趣。从直径分布来看，CNFS处于普通气相生长碳纤维和CNTS之间，这决定了CNFS的结构和性能处于普通碳纤维和CNTS的过渡状态。CNFS可以以多种微观结构存在，CNFS可能是实心的，也可能是管状的。判断CNFS是管状的还是实心棒状的必须在高分辨电镜(HRTEM)下从横切面研究CNFS的微观结构，仅从整根纤维的侧面进行研究是不够的。判断CNFS是管状的还是实心棒状的对研究CNFS的生长机制及其应用有着重要的意义。CNFS除了具有一般碳纤维的特性，如低密度、高比强度、高比模量、高导电和导热等性能外，还具有直径小、长径比大、缺陷数量很少、比表面积大、导电性能好、结构致密等优点，因此可以用于高级复合材料的增强体，也可以用于航空、航天、环境、工民建材料及日常生活用品及其它高科技领域。不仅如此，VGCNFS表面具有分子级细孔，内部也具有细孔，比表面积大，气体可以在VGCNFS中凝聚，因此可以吸附大量气体，是极具潜力的储氢材料，也可用作高效吸附剂、催化剂和催化剂载体。总之，CNFS在催化剂和催化剂载体、储氢材料、高效吸附剂、超强复合材料、锂离子二次电池阳极材料、双电层电容器电极、分离剂、吸波材料等领域都具有广泛的应用前景。尤其在异相催化中CNFS比其它纳米碳材料具有更大的优势，作为催化剂或催化剂载体是CNFS主要的应用方面之一。

纳米技术的提出最早可以追溯到1959年，那年的12月29同，被誉为“纳米技术之父”的著名物理学家、诺贝尔奖获得者RichardEFeynman在美国物理年会上所做的著名演讲“There’saplentyofroomatthebottom”已经广为人知。Feynman认为：“用大工具可以制造出适合制造更小工具的小工具，直到得到刚好能够直接操纵分子和原子的工具，这意味着化学将能精确的按照人的意志安排一个个原子；当我们在很小的尺度控制物质的构造时，我们将能得到很多新的材料特性；如果能在分子和原子水平上制造材料和器件，将会有激动人心的崭新发现”。随着纳米技术的崛起，他的这个演讲常常被引为对纳米世纪来临的预言。纳米科学与技术(NanoScienceandTechnology，NanoST,简称纳米科技)是指在纳米尺度上研究物质(包括分子原子的操纵)的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。目前纳米科学与技术被认为是21世纪头等重要的科学技术，它的深刻内涵不仅是尺度的“纳米化”，而是纳米科技使人类迈入一个崭新的由量子原理主宰的微观世界。世界各国尤其是发达国家都对纳米科学与技术予以高度重视，从战略的高度来部署纳米科技研究，以期能提高在21世纪国际竞争中的地位。诺贝尔奖得主Rohrer曾经指出：“20世纪重视微电子技术的国家现在已经成为发达国家，现在重视纳米科技的国家很可能成为2l世纪的先进国家”；IBM首席科学家Armstrong也曾经预言：“纳米科技将在信息时代的下一阶段占据中心位置，并发挥革命的作用，正如20世界70年代以来微米科技已经起到的作用那样”。

纳米技术的提出和发展有其强烈的社会发展需求背景。在半导体产业，有一个大家所熟知的Moore(Intel公司创始人GoldonMoore)定律。他预测，芯片上晶体管数量每18个月将会增加l倍。在过去的三十多年中，Moore定律一直被证明是基本正确的。但是随着系统集成度的提高，对器件加工工艺的尺寸要求也越来越小，由于量子隧穿效应，很难用传统方法来制作特征尺寸在50nm以下的器件。这种传统工艺上的困难正好给纳米技术的发展提供了强大的动力。

纳米科技主要包括：(1)纳米化学：(2)纳米体系物理学；(3)纳米生物学：

(4)纳米材料学；(5)纳米电子学：(6)纳米加工学；(7)纳米力学。这七个部分是相对独立的，其中纳米材料学是最为基础的，也是最重要的，因为其它几个方面都是以纳米材料学为基础和支撑的。由于纳米材料具有与体材料截然不同的物理、化学性质，因此被认为是新的材料体系。用纳米材料可以制造出更小、更快和功能更强的器件，而这些纳米器件的应用将会给人类的生活以及社会的发展带来革命性改变。

金属电化学沉积的阴极过程一般由以下几个单元步骤组成：

(1)液相传质：溶液中的反应粒子，如金属水化离子向电极表面迁移。

(2)前置转化：迁移到电极表面的离子发生化学转化反应，如金属水化离子水化程度降低和重排，金属络离子配位数降低等。

(3)电荷传递：反应粒子得电子还原为吸附态金属离子。

(4)电结晶：新生的吸附态金属原子沿电极表面扩散到适当的位置(生长点)进入金属晶格生长，或与其它新生原子积聚而形成晶核并长大，从而形成晶体。

上述各单元步骤中反应阻力最大、速度最慢的步骤则成为电沉积过程的速度控制步骤。

因此，只有提高控制步骤的速度，才有可能提高整个电极过程的速度。控制步骤决定着整个电极过程的速度。因此根据电极极化产生的内在原因可知，整个电极反应速度与电子运动速度的矛盾实质上决定于控制步骤速度与电子运动速度的矛盾，电极极化的特征因而也取决与控制步骤的动力学特征。本节从分析控制步骤的动力学特征入手，推导出喷射电沉积提高极限电流密度的原理。

按照控制步骤的不同将电极的极化分成不同类型，常见的极化类型是浓差极化和电化学极化。

(1)浓差极化是液相传质步骤中，由于物质迁移缓慢而造成的阴极极化现象。通电以前，电解液中各处的电解液浓度相同，通电后由于金属离子不断地在阴极上放电析出，而液相传质不能及时补充在阴极附近被还原反应消耗掉的离子数量，致使阴极附近存在一定厚度的金属离子浓度较低的电解层，在电极与溶液界面处产生浓差极化，并形成扩散层。

(2)电化学极化是当电子转移步骤成为控制步骤时所引起的电极极化现象。当电子从外电源流入阴极，阴极的还原反应速度增大，出现净反应，但还原反应需要一定的时间才能完成，如果时间不够，来不及将外电源输入的电子完全吸收，因而在阴极表面积累了过量的电子，使电极电位从平衡电位向负移动，从而形成阴极的极化。将由于电化学反应迟缓而控制电极过程所引起的电极极化称作电化学极化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种碳纤维镀层工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳纤维镀层工艺，碳纤维经过去胶、活化和敏化预处理后，采用两次电化学沉积的方法在碳纤维表面形成镀层，改善碳纤维的表面性能，包括：碳纤维水洗——碳纤维加热去胶——超声波丙酮清洗——碳纤维粗化——酸洗中和——碳纤维敏化和活化——一次电化学沉积——二次电化学沉积——碳纤维水洗——热风吹干——质量检验。碳纤维加热去胶温度200——250度，粗化采用35％的硝酸溶液，浸泡25min。碳纤维电化学沉积工艺参数包括15——20g/L氯化镍，20——30g/L乙二胺，10——15ml/L次磷酸钠，稳定剂0.1——0.2g/L，添加剂0.5——0.7g/L，PH12.5——13.5，电流密度0.5——0.7A/dm²，温度为40——50度，第一次电化学沉积时间为5——7min，第二次镀镍时间3——4min。

具体实施方式

实施例1

一种碳纤维镀层工艺，碳纤维经过去胶、活化和敏化预处理后，采用两次电化学沉积的方法在碳纤维表面形成镀层，改善碳纤维的表面性能，包括：碳纤维水洗——碳纤维加热去胶——超声波丙酮清洗——碳纤维粗化——酸洗中和——碳纤维敏化和活化——一次电化学沉积——二次电化学沉积——碳纤维水洗——热风吹干——质量检验。碳纤维加热去胶温度250度，粗化采用35％的硝酸溶液，浸泡25min。碳纤维电化学沉积工艺参数包括20g/L氯化镍，30g/L乙二胺，15ml/L次磷酸钠，稳定剂0.2g/L，添加剂0.7g/L，PH12.5，电流密度0.7A/dm²，温度为50度，第一次电化学沉积时间为7min，第二次镀镍时间3min。

实施例2

一种碳纤维镀层工艺，碳纤维经过去胶、活化和敏化预处理后，采用两次电化学沉积的方法在碳纤维表面形成镀层，改善碳纤维的表面性能，包括：碳纤维粗化——酸洗中和——碳纤维敏化和活化——一次电化学沉积——二次电化学沉积——碳纤维水洗——热风吹干——质量检验。碳纤维采用无上浆PAN纤维，粗化采用35％的硝酸溶液，浸泡25min。碳纤维电化学沉积工艺参数包括15g/L氯化镍，25g/L乙二胺，10ml/L次磷酸钠，稳定剂0.2g/L，添加剂0.5g/L，PH13.5，电流密度0.6A/dm²，温度为45度，第一次电化学沉积时间为5min，第二次镀镍时间4min。

Claims

1.一种碳纤维镀层工艺，其特征在于碳纤维经过去胶、活化和敏化预处理后，采用两次电化学沉积的方法在碳纤维表面形成镀层，改善碳纤维的表面性能，包括：碳纤维水洗——碳纤维加热去胶——超声波丙酮清洗——碳纤维粗化——酸洗中和——碳纤维敏化和活化——一次电化学沉积——二次电化学沉积——碳纤维水洗——热风吹干——质量检验。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳纤维加热去胶温度200——250度，粗化采用35％的硝酸溶液，浸泡25min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳纤维电化学沉积工艺参数包括15——20g/L氯化镍，20——30g/L乙二胺，10——15ml/L次磷酸钠，稳定剂0.1——0.2g/L，添加剂0.5——0.7g/L，PH12.5——13.5，电流密度0.5——0.7A/dm²，温度为40——50度，第一次电化学沉积时间为5——7min，第二次镀镍时间3——4min。