CN107880299B - 一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，属于材料表面处理技术领域。所述制备方法包括以下步骤：首先对碳纤维复合材料进行真空烘烤、打磨、擦拭，得到预处理后的复合材料；在所述预处理后的复合材料表面涂覆树脂金属有机杂化漆料，得到界面涂层；对得到的界面涂层表面进行喷砂处理后，喷涂沉积金属，得到表面具有金属涂层的碳纤维复合材料。本发明提供的制备方法，制得的金属涂层表面均匀致密，与碳纤维复合材料的结合强度强。

Description

一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、耐腐蚀、热膨胀系数小，以及柔曲性和可编性等一系列优异性能，在航空航天领域得到越来越广泛的应用。现阶段航天器结构舱体壁板、中心承力筒、天线、太阳电池阵、遥感相机镜筒及遮光罩等产品已大量材料碳纤维材料制造。受航天器轻量化设计的影响，越来越多的航天器结构产品，如燃料贮箱、光学反射镜、着陆器支撑、大型雷达天线支架等也开始使用复合材料。目前，碳纤维增强树脂基复合材料在运载火箭、导弹武器、航空航天飞行器上业已大量的使用，并逐步成为航空航天结构先进性的标志之一。
但是碳纤维增强树脂基复合材料在导电性、导热性、耐高温、电磁屏蔽性能及原子氧腐蚀防护性能等方面与金属材料具有较大差距，限制了其大量应用。因此，碳纤维增强树脂基复合材料的表面金属功能涂层制备显得尤为重要。碳纤维/树脂基复合材料的表面金属涂层制备方法有多种如转移法、化学镀、物理气相沉积、热喷涂等。相对于传统的表面金属涂层制备技术(转移法、化学镀、物理气相沉积、电镀)的局限性如设备昂贵、成本高、存在尺寸限制、稳定性差、污染环境等，热喷涂方法特别是电弧喷涂方法具有喷涂材料范围广(陶瓷、金属、非金属、复材)、涂层功能多(耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射)、操作简单、成本低、不受基体材料和工件尺寸限制、可制备厚涂层、工艺灵活、经济效果好等优点，具有广阔的应用前景。
但是，如图1所示，目前热电弧喷涂方法在碳纤维复合材料表面制备金属涂层会损伤基材表面，导致碳纤维复合材料强度下降，与涂层间存在孔隙、裂纹等缺陷，降低了二者结合强度。
发明内容
本发明技术要解决的问题是：克服现有技术不足，提供一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，制得的金属涂层表面均匀致密，与碳纤维复合材料的结合强度强。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、首先对碳纤维复合材料进行真空烘烤、打磨、擦拭，得到预处理后的复合材料；
步骤2、在所述预处理后的复合材料表面涂覆树脂金属有机杂化漆料，得到界面涂层；
步骤3、对得到的界面涂层表面进行喷砂处理后，喷涂沉积金属，得到表面具有金属涂层的碳纤维复合材料。
在一可选实施例中，步骤1包括：
将碳纤维复合材料在真空、80-120℃条件下，烘烤10-24h，然后用400-800#砂纸打磨表面，再用无水乙醇擦拭。
在一可选实施例中，步骤2中所述的树脂金属有机杂化漆料的制备方法包括：
将1质量份环氧树脂溶解于1-3质量份乙酸丁酯中，搅拌制得A组分；
将0.1-1质量份铝粉溶解于0.1-2质量份乙酸丁酯中，搅拌制得B组分；
将所述A组分和B组分以搅拌混合，得到树脂金属有机杂化漆料。
在一可选实施例中，在制得所述A组分时，搅拌浆转速为300-500r/min、搅拌时间为1-3h；在制得所述B组分时，搅拌浆转速为300-500r/min、搅拌时间为1-3h；在所述搅拌混合时，搅拌浆转速为300-500r/min、搅拌时间为1-5h。
在一可选实施例中，所述铝粉为球形铝粉。所述球形铝粉的粒径优选30-50μm。
在一可选实施例中，步骤2中所述的界面涂层的厚度为80-200μm。
在一可选实施例中，步骤3所述的喷砂处理，包括：采用40-120#的白刚玉或棕刚玉砂在得到的界面层表面进行喷砂、喷砂压力0.1-0.5MPa。
在一可选实施例中，步骤3所述的喷涂沉积金属，包括：采用电弧喷涂的方法在所述界面涂层表面喷涂金属涂层。
在一可选实施例中，所述电弧喷涂的参数为：喷涂电压24-32V、喷涂电流100-240A、喷涂距离100-300mm、喷涂压力0.3/0.3-0.5/0.4MPa、喷涂道次3-10道次、间隔时间2-5min。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明实施例提供的碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，通过在碳纤维复合材料与金属涂层间增加树脂金属有机杂化界面涂层，避免了喷砂粗化对碳纤维复合材料的损伤，同时界面涂层在后续金属涂层的热喷涂过程中对碳纤维复合材料提供了热防护，避免了热喷涂对复合材料的热损伤，保证了碳纤维复合材料的力学性能；界面涂层含有有机成分，当施加在碳纤维复合材料表面时，二者间存在化学键结合，增加了结合强度，同时界面涂层中的金属成分与喷涂的金属涂层间在高温下可发生物理及冶金结合，大大提高了整体结合强度；制得的金属涂层表面均匀致密，与碳纤维复合材料的结合强度>10MPa、电阻<3mΩ、孔隙率<5％；
(2)通过真空烘烤将碳纤维复合材料中残留的未固化的有机成分及吸附的水分完全析出，避免了施加界面层时产生起泡等，提高了界面层平整度；通过打磨并用无水乙醇擦拭，去除了碳纤维复合材料表面残留的脱模剂等成分，提高了界面层的结合力；
(3)本发明提供的方法制备的漆料在保证界面层自身强度的同时，使得界面层表面的铝粉颗粒在喷砂后能够有效的裸露，确保与金属涂层的结合，保证结合强度；同时，又保证了铝粉在树脂中的钉扎作用，加强了铝粉和树脂的结合强度；该漆料体系中的树脂在热喷涂过程中受热膨胀冷却时会紧紧包覆金属涂层，进一步提高了机械铆合机制，增加结合强度；
(4)所述铝粉优选球形铝粉，球形铝粉在树脂中的流动性较好，提高了漆料的喷涂性能，同时球形铝粉具有较好的钉扎效果，当球形铝粉的粒径为30-50μm时，与热喷涂过程中沉积的金属粒子的粒径较吻合，提高了二者的物理结合机制，进一步提高了结合强度；
(5)当界面涂层的厚度为80-200μm时，在保证结合强度的同时，尽可能的降低了附加重量，满足航天器轻量化要求。
附图说明
图1为现有技术中碳纤维复合材料表面通过电弧喷涂金属铝涂层后的截面形貌图；
图2为本发明实施例提供的一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法流程图；
图3为本发明实施例1提供的具有金属涂层的碳纤维复合材料截面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图2，本发明实施例提供了一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、首先对碳纤维复合材料进行真空烘烤、打磨、擦拭，得到预处理后的复合材料；
具体地，所述碳纤维复合材料可以为碳纤维/环氧648树脂基复合材料、碳纤维/氰酸酯树脂基复合材料、碳纤维/酚醛树脂基复合材料等，本发明不做限定；
步骤2、在所述预处理后的复合材料表面涂覆树脂金属有机杂化漆料，得到界面涂层；
具体地，所述树脂金属有机杂化漆料为树脂和金属经有机杂化所得的漆料；所述树脂可以为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂等，优选碳纤维复合材料的基体树脂，所述金属可以为铝、铜、镍等，优选与待涂覆的金属涂层一致的金属；步骤3、对得到的界面涂层表面进行喷砂处理后，喷涂沉积金属，得到表面具有金属涂层的碳纤维复合材料。
本发明实施例提供的碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，通过在碳纤维复合材料与金属涂层间增加树脂金属有机杂化界面涂层，避免了喷砂粗化对碳纤维复合材料的损伤，同时界面涂层在后续金属涂层的热喷涂过程中对碳纤维复合材料提供了热防护，避免了热喷涂对复合材料的热损伤，保证了碳纤维复合材料的力学性能；界面涂层含有有机成分，当施加在碳纤维复合材料表面时，二者间存在化学键结合，增加了结合强度，同时界面涂层中的金属成分与喷涂的金属涂层间在高温下可发生物理及冶金结合，大大提高了整体结合强度；制得的金属涂层表面均匀致密，与碳纤维复合材料的结合强度>10MPa、电阻<3mΩ、孔隙率<5％。
在一可选实施例中，步骤1包括：
将碳纤维复合材料在真空、80-120℃条件下，烘烤10-24h，然后用400-800#砂纸打磨表面，再用无水乙醇擦拭后待用。
通过真空烘烤将碳纤维复合材料中残留的未固化的有机成分及吸附的水分完全析出，避免了施加界面层时产生起泡等，提高了界面层平整度；通过打磨并用无水乙醇擦拭，去除了碳纤维复合材料表面残留的脱模剂等成分，提高了界面层的结合力。
在一可选实施例中，步骤2中所述的树脂金属有机杂化漆料的制备方法包括：
将1质量份环氧树脂溶解于1-3质量份乙酸丁酯中，搅拌制得A组分；
将0.1-1质量份铝粉溶解于0.1-2质量份乙酸丁酯中，搅拌制得B组分；
将所述A组分和B组分以搅拌混合，得到树脂金属有机杂化漆料。
该方法制备的漆料在保证界面层自身强度的同时，使得界面层表面的铝粉颗粒在喷砂后能够有效的裸露，确保与金属涂层的结合，保证结合强度；同时，又保证了铝粉在树脂中的钉扎作用，加强了铝粉和树脂的结合强度；该漆料体系中的树脂在热喷涂过程中受热膨胀冷却时会紧紧包覆金属涂层，进一步提高了机械铆合机制，增加结合强度。
进一步地，为保证所得漆料性能均一，在制得所述A组分时，搅拌浆转速为300-500r/min、搅拌时间为1-3h；在制得所述B组分时，搅拌浆转速为300-500r/min、搅拌时间为1-3h；在所述搅拌混合时，搅拌浆转速为300-500r/min、搅拌时间为1-5h。
在一可选实施例中，所述铝粉优选球形铝粉，球形铝粉在树脂中的流动性较好，提高了漆料的喷涂性能，同时球形铝粉具有较好的钉扎效果，当球形铝粉的粒径为30-50μm时，与热喷涂过程中沉积的金属粒子的粒径较吻合，提高了二者的物理结合机制，进一步提高了结合强度。
在一可选实施例中，步骤2中所述的界面涂层的厚度为80-200μm。当界面涂层的厚度为80-200μm时，在保证结合强度的同时，尽可能的降低了附加重量，满足航天器轻量化要求。
在一可选实施例中，步骤3所述的喷砂处理，包括：采用40-120#的白刚玉或棕刚玉砂在得到的界面层表面进行喷砂、喷砂压力0.1-0.5MPa。该喷砂方法既提供了满足热喷涂要求的粗化表面，又不会使界面层强度下降。
在一可选实施例中，步骤3所述的喷涂沉积金属，包括：采用电弧喷涂的方法在所述界面涂层表面喷涂金属涂层。所述电弧喷涂的参数优选：喷涂电压24-32V、喷涂电流100-240A、喷涂距离100-300mm、喷涂压力0.3/0.3-0.5/0.4MPa、喷涂道次3-10道次、间隔时间2-5min。在该喷涂条件下能够有效提高二者的结合强度，降低涂层的孔隙率、氧含量及涂层电阻。
以下为本发明的几个具体实施例：
实施例1
本实施例提供了一种具有金属涂层的碳纤维复合材料，其制备方法包括：
步骤1、将碳纤维/环氧648树脂基复合材料放入真空烘箱中预处理，加热温度100℃、加热时间12h。
步骤2、将步骤1中预处理后的碳纤维复合材料用600#砂纸打磨表面至亚光态后用无水乙醇轻轻擦拭表面待用。
步骤3、配制铝粉-树脂金属有机杂化漆料，配置流程如下：将70g环氧树脂溶解于70g乙酸丁酯中，在搅拌浆转速为350r/min下搅拌1h制得A组分；将30g铝粉溶解于60g乙酸丁酯中，在搅拌浆转速为350r/min下搅拌1h制得B组分；将A组分和B组分混合，在搅拌桨转速为350r/min下搅拌3h后制得界面涂层漆料。
步骤4、将步骤3中配制好的漆料喷涂在步骤2中处理过的碳纤维复合材料表面，喷涂气压0.2MPa、喷涂距离100mm、喷涂厚度120μm。
步骤5、在步骤4中制得的具有界面涂层的碳纤维复合材料表面喷砂粗化，喷砂种类为白刚玉、喷砂目数40#、喷涂压力0.2MPa，喷砂至表面亚光。
步骤6、在步骤5中处理过的碳纤维复合材料表面电弧喷涂金属铝涂层，工艺参数如下：喷涂电压26V、喷涂电流120A、喷涂距离150mm、喷涂压力0.5/0.4MPa、喷涂道次6道次、间隔时间2min。
本实施例制得的金属涂层表面均匀致密，厚度200-400um、与碳纤维复合材料的结合强度>10MPa、电阻<3mΩ、孔隙率<5％；如图3所示，本实施例提供的具有金属涂层的碳纤维复合材料截面，从图中可以看出界面层与基材结合良好无孔隙、裂纹等缺陷，界面层与喷铝层结合良好，互相勾连咬合；同时可以看出界面层中的铝颗粒与喷铝涂层的铝颗粒间相互融合，使结合强度大大提高。
实施例2
本实施例提供了一种具有金属涂层的碳纤维复合材料，其制备方法包括：
步骤1、将碳纤维/氰酸酯树脂基复合材料放入真空烘箱中预处理，加热温度120℃、加热时间10h。
步骤2、将步骤1中预处理后的碳纤维复合材料用400#砂纸打磨表面至亚光态后用无水乙醇轻轻擦拭表面待用。
步骤3、配制铝粉-树脂金属有杂化漆料，配置流程如下：将50g环氧树脂溶解于50g乙酸丁酯中，在搅拌浆转速为400r/min下搅拌1h制得A组分；将50g铝粉溶解于60g乙酸丁酯中，在搅拌浆转速为400r/min下搅拌1h制得B组分；将A组分和B组分，在搅拌桨转速为混合400r/min下搅拌3h后制得界面涂层漆料。
步骤4、将步骤3中配制好的漆料喷涂在步骤2中处理过的碳纤维复合材料表面，喷涂气压0.2MPa、喷涂距离100mm、喷涂厚度120μm。
步骤5、在步骤4中制得具有界面层的碳纤维复合材料表面喷砂粗化，喷砂种类为白刚玉、喷砂目数80#、喷涂压力0.3MPa，喷砂至表面亚光。
步骤6、在步骤5中处理过的碳纤维复合材料表面电弧喷涂金属铝涂层，工艺参数如下：喷涂电压28V、喷涂电流150A、喷涂距离200mm、喷涂压力0.5/0.4MPa、喷涂道次6道次、间隔时间2min。
本实施例制得的金属涂层表面均匀致密，厚度200-400um、与碳纤维复合材料的结合强度>10MPa、电阻<5mΩ、孔隙率<6％。
实施例3
本实施例提供了一种具有金属涂层的碳纤维复合材料，其制备方法包括：
步骤1、将碳纤维/酚醛树脂基复合材料放入真空烘箱中预处理，加热温度100℃、加热时间12h。
步骤2、将步骤1中预处理后的碳纤维复合材料用600#砂纸打磨表面至亚光态后用无水乙醇轻轻擦拭表面待用。
步骤3、配制铝粉-树脂金属有机杂化漆料，配置流程如下：将70g环氧树脂溶解于140g乙酸丁酯中，在搅拌浆转速为350r/min下搅拌1h制得A组分；将30g铝粉溶解于40g乙酸丁酯中，在搅拌浆转速为350r/min下搅拌1h制得B组分；将A组分和B组分混合，在搅拌浆转速为350r/min搅拌3h后制得界面涂层漆料。
步骤4、将步骤3中配制好的漆料喷涂在步骤2中处理过的碳纤维复合材料表面，喷涂气压0.2MPa、喷涂距离100mm、喷涂厚度120μm。
步骤5、在步骤4中制得的具有界面层的碳纤维复合材料表面喷砂粗化，喷砂种类为棕刚玉、喷砂目数40#、喷涂压力0.2MPa，喷砂至表面亚光。
步骤6、在步骤5中处理过的碳纤维复合材料表面亚音速火焰喷涂金属铝涂层，工艺参数如下：氧气压力0.5MPa、乙炔压力0.1MPa、空气压力0.4MPa、喷涂距离300mm、、喷涂道次6道次、间隔时间1min。制得的金属涂层表面均匀致密，厚度200-400um、与碳纤维复合材料的结合强度>9MPa、电阻<10mΩ、孔隙率<5％。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、首先对碳纤维复合材料在80～120℃条件下进行真空烘烤10～24h，然后用400～800#砂纸打磨表面，再用无水乙醇擦拭，得到预处理后的复合材料；
步骤2、在所述预处理后的复合材料表面涂覆树脂金属有机杂化漆料，得到界面涂层；所述的树脂金属有机杂化漆料的制备方法包括：
将1质量份环氧树脂溶解于1～3质量份乙酸丁酯中，搅拌制得A组分；
将0.1～1质量份铝粉溶解于0.1～2质量份乙酸丁酯中，搅拌制得B组分，所述铝粉为球形铝粉；
将所述A组分和B组分搅拌混合，得到树脂金属有机杂化漆料；
步骤3、对得到的界面涂层表面进行喷砂处理后，喷涂沉积金属，得到表面具有金属涂层的碳纤维复合材料；所述的喷砂处理，包括：采用40～120#的白刚玉或棕刚玉砂在得到的界面层表面进行喷砂、喷砂压力0.1～0.5MPa；
所述的喷涂沉积金属，包括：采用电弧喷涂的方法在所述界面涂层表面喷涂金属涂层，所述电弧喷涂的参数为：喷涂电压24～32V、喷涂电流100～240A、喷涂距离100～300mm、喷涂压力0.3/0.3～0.5/0.4MPa、喷涂道次3～10道次、间隔时间2～5min。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，其特征在于：
在制得所述A组分时，搅拌浆转速为300～500r/min、搅拌时间为1-3h；
在制得所述B组分时，搅拌浆转速为300～500r/min、搅拌时间为1-3h；在所述搅拌混合时，搅拌浆转速为300～500r/min、搅拌时间为1-5h。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，其特征在于，所述球形铝粉的粒径为30-50μm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料表面金属涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的界面涂层的厚度为80-200μm。
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