CN108165901B - 一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：步骤1，将碳纤维表面进行预处理；步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀覆金属铜、镍或铬；步骤3，称取一定量的金属粉与包覆金属的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合；步骤4，将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型；步骤5，将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨模具中进行热压烧结；步骤6，将经步骤5烧结后的复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，即得碳纤维增强金属基复合材料。本发明的制备方法解决了现有纤维增强复合材料由于界面润湿问题使得增强相与基体结合不好，导致纤维过早拔出、断裂、失效的问题。

Description

一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备方法技术领域，具体涉及一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法。
背景技术
复合材料是由基体材料、增强体以及二者之间的界面组成的，其性能取决于增强体与基体的比例以及三个组成部分的性能。复合材料能够发挥各自组成材料的优点，其组成上相互取长补短产生协同效应而具有新的特性，同时能设计出满足实际需要的特殊性能和综合性能而越来越多地受到世界各国的高度重视。金属基复合材料相对于其他材料，具有较高的比强度、比刚度、优良的导电性、耐热性、高韧性和高冲击性能。广泛地应用在航空航天、汽车造船、建筑桥梁、电力机械、医疗和体育等各个领域。
金属基复合材料的增强体主要有纤维、晶须和颗粒，其中纤维因具有高强度、高模量、耐高温、耐环境、耐摩擦、耐化学药品等特性而作为增强体的首选。特别是碳纤维因密度小、强度大、电学热学性能优异，通常作为复合材料的主要增强相。然而碳纤维与金属基体复合时，由于碳纤维的非金属性，界面的润湿性以及结合状态等成为该类复合材料发展的瓶颈。如果其机械物理结合界面强度较低，承受载荷时往往造成碳纤维的拔出、剥离或脱落，就会大大影响复合材料的性能。为此，对碳纤维表面进行改性，就成为调控金属与碳纤维结合状态的必然。以改性碳纤维制备出的复合材料就能弥补当前此类材料存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，解决了现有纤维增强复合材料由于界面润湿问题使得增强相与基体结合不好，导致纤维过早拔出、断裂、失效的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将碳纤维表面进行预处理；
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铜、镍或铬；
步骤3，称取一定量的金属粉与包覆金属铜、镍或铬的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30～80min；
步骤4，将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型，所选取的压制压力为300～500MPa；
步骤5，将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨模具中进行热压烧结；
步骤6，将经步骤5烧结后的复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，即得碳纤维增强金属基复合材料。
本发明的特征还在于，
步骤1中碳纤维表面进行预处理的过程如下：将碳纤维置于加热炉中在480～500℃下灼烧30～60min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h，水洗后，置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h，再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化60～90min，用去离子水洗至中性。
步骤2中，采用化学镀法在碳纤维表面镀覆金属铜、镍或铬的具体过程如下：将步骤1处理后的碳纤维先置于由0.1g/L的SnCl2和40mL/L的HCl组成的敏化液中，敏化5～10min，水洗2min后，再置于含1g/L的PbCl2和30mL/L的HCl组成的活化液中，活化5～10min，水洗，最后将敏化～活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，水洗后置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h；在碳纤维表面镀覆金属铜后还需再经过钝化处理。
步骤2中，用于在碳纤维表面镀覆金属铜的化学镀镀液组成为：硫酸铜10～20g/L，酒石酸钾钠20～30g/L，乙二胺四乙酸二钠15～25g/L，甲醛10～15mL/L，亚铁氰化钾10～20mg/L，其化学镀的工艺条件为：温度：45～60℃，时间：10～20min，采用氢氧化钠调节pH值至11.5～12.5。
步骤2中，用于在碳纤维表面镀覆金属镍的化学镀镀液组成为：硫酸镍25～35g/L，柠檬酸钠25～40g/L，次亚磷酸钠20～30g/L，其化学镀的工艺条件为：温度：60～75℃，时间：3～10min，采用氨水调节pH值至7.5-8.5。
步骤2中，用于在碳纤维表面镀金属铬的化学镀镀液组成为：氯化铬10～15g/L，铬酐260～300g/L，乙二胺四乙酸二钠5～10g/L，酒石酸钾钠15～20g/L，氟硅酸200～225mL/L，氢氧化钠10～12g/L，硫脲0.15～0.2mL/L，其化学镀的工艺条件为：温度：45～60℃时间：30～40min，pH：7.5～8.5。
步骤3中，包覆金属铜、镍或铬的碳纤维的体积占混合物料总体积的1％～50％。
步骤3中的金属粉为铜粉、铁粉、铝粉或钨粉。
步骤5中，热压烧结过程为：在高温气氛保护热压炉中缓慢加热至金属熔点的0.7～0.8倍、同时加压制压力20～30MPa，停留60～90min后随炉冷却，所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1～2L/h。
步骤6中，所用的砂粒粒径约0.1～0.5mm，冲击速度为1～3m/s。
本发明的有益效果是：
(1)通过在碳纤维表面预先包覆金属再混合热压烧结，可大幅提高该复合材料的机械性能和物理性能；
(2)本发明制备碳纤维增强金属基复合材料的方法，操作简单、能耗少、成本低、生产效率高、易于工业化生产。
附图说明
图1为采用本发明方法制备的化学镀铜碳纤维的SEM图；
图2为采用本发明方法制备的化学镀镍碳纤维的SEM图；
图3为采用本发明方法制备的化学镀铬碳纤维的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在480℃～500℃下灼烧30～60min进行热脱脂(所购碳纤维不同，其表面有机胶成分不同，故灼烧温度、灼烧时间视具体碳纤维而定，如商用的TC-35型碳纤维480℃下灼烧60min可完成热脱脂)，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中35～45℃干燥6～8小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化60～90min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铜、镍或铬
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化5～10min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化5～10min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表1。用去离子水洗至中性后，钝化(仅对镀覆铜碳纤维进行钝化处理，即将镀覆铜的碳纤维置于15％的乙二胺四乙酸二钠溶液中钝化15min)，再水洗3～5次后置于干燥箱中35～45℃干燥6～8小时、待用。
表1化学镀镀液成分及工艺参数
步骤3，配料
将粒径为60～80微米(200目)左右的金属粉体按照所制复合材料的比例计算金属粉体和包覆金属的碳纤维(包覆的金属层可忽略不计)各自的量(计算方法是零件体积G理论密度G添加的比例)。按体积百分比，复合材料的理论密度＝金属的密度G金属粉体添加的体积比例+包覆金属的碳纤维的密度G包覆金属的碳纤维添加的体积比例。一般金属基体是铜的，用包覆铜或镍的碳纤维；金属基体是铁或钨的，建议用包覆镍的碳纤维。
步骤4，混合
把步骤3计算好的金属粉和包覆金属的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30～80min。在混合时添加10～20mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘。包覆金属铜、镍或铬的碳纤维的体积占混合物料总体积的1％～50％。
步骤5，成型
按照所加工零件的大小和具体的成分要求，把步骤4混合好的物料称取一定量的(称取的量取决于复合材料的成分与压坯的大小，一般计算方法是，称取的质量＝压坯的体积G该成分复合材料的密度)装在钢压模具(决定零件的尺寸和形状，事先设计好的)中冷压成型，所选取的压制压力为300～500MPa。
步骤6，热压烧结
将步骤5冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为200～300℃/h)升温至烧结温度(一般取金属熔点的0.7～0.8倍)、同时加压制压力20～30MPa，在高温下停留60～90min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1～2L/h。
步骤7，后处理
将步骤6烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.1～0.5mm，冲击速度为1～3m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
从图1中看出碳纤维表面的金属铜层均匀、连续，铜颗粒较大但堆积紧密。为碳纤维与基体金属提供了良好的中间金属层，避免了碳纤维直接与基体金属层接触。
从图2中看出碳纤维表面的金属镍底层的镍颗粒较小、堆积紧凑，并且在底层金属镍表面有零散的、较大的金属颗粒，有助于金属层与基体金属机械结合，提高碳纤维与基体金属的结合。
从图3中看出碳纤维表面金属铬颗粒相对于金属铜、镍比较小且分布更为均匀，金属层相对较光滑。
实施例1
一种碳纤维增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在480℃下灼烧60min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中35℃干燥8小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化60min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铜
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化10min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化5min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表2。用去离子水洗至中性后，对镀覆铜碳纤维进行钝化处理，即将镀覆铜的碳纤维置于15％的乙二胺四乙酸二钠溶液中钝化15min，再水洗3次后置于干燥箱中35℃干燥8小时、待用。
表2化学镀镀液成分及工艺参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为60微米铜粉与包覆金属铜的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30min，在混合时添加10mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，铜粉与包覆金属铜的碳纤维的体积比为：85:15
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为300MPa。
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为200℃/h)升温至烧结温度(取金属铜熔点的0.7倍)、同时加压制压力20MPa，在高温下停留60min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.1mm，冲击速度为1m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
实施例2
一种碳纤维增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在500℃下灼烧30min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中45℃干燥6小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化90min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铜
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化10min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化10min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表3。用去离子水洗至中性后，对镀覆铜碳纤维进行钝化处理，即将镀覆铜的碳纤维置于15％的乙二胺四乙酸二钠溶液中钝化15min，再水洗5次后置于干燥箱中45℃干燥6小时、待用。
表3化学镀液组成及工艺参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为80微米铜粉与包覆金属铜的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合80min，在混合时添加20mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，铜粉与包覆金属铜的碳纤维的体积比为：90:10
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型，所选取的压制压力为500MPa。
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为300℃/h)升温至烧结温度(取金属铜熔点的0.8倍)、同时加压制压力30MPa，在高温下停留90min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气，气体流量是2L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.5mm，冲击速度为3m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
实施例3
一种碳纤维增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在490℃下灼烧40min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中40℃干燥7小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化65min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铜
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化10min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化10min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表4。用去离子水洗至中性后，对镀覆铜纤维进行钝化处理，即将镀覆铜的碳纤维置于15％的乙二胺四乙酸二钠溶液中钝化15min，再水洗5次后置于干燥箱中45℃干燥6小时、待用。
表4化学镀液组成及工艺参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为70微米铜粉与包覆金属铜的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合70min，在混合时添加15mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，铜粉与包覆金属铜的碳纤维的体积比为：95:5
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型，选取的压制压力为400MPa。
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为250℃/h)升温至烧结温度(取金属铜熔点的0.75倍)、同时加压制压力25MPa，在高温下停留80min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1.5L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.4mm，冲击速度为2.5m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
实施例4
一种碳纤维增强铁基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在500℃下灼烧30min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中45℃干燥6小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化90min，用去离子水洗至中性。
步骤2，碳纤维表面镀覆金属镍
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化5min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化5min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表5。用去离子水洗至中性后置于干燥箱中35℃干燥8小时、待用。
表5化学镀镍的镀液成分及参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为60微米铁粉与包覆金属镍的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30min，在混合时添加10mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，铁粉与包覆金属镍的碳纤维的体积比为：92:8
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型，所选取的压制压力为300Mpa。
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为250℃/h)升温至烧结温度(取铁熔点的0.75倍)、同时加压制压力25MPa，在高温下停留80min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1.5L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.4mm，冲击速度为2.5m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
实施例5
一种碳纤维增强钨基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在480℃下灼烧60min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中35℃干燥8小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化60min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属镍
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化10min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化10min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表6。用去离子水洗至中性后置于干燥箱中45℃干燥6小时、待用。
表6化学镀液组成及工艺参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为70微米钨粉与包覆金属镍的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合50min，在混合时添加15mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，钨粉与包覆金属镍的碳纤维的体积比为：75:25
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型，所选取的压制压力为400MPa。
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为300℃/h)升温至烧结温度(取钨熔点的0.8倍)、同时加压制压力20MPa，在高温下停留90min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.1mm，冲击速度为1m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
实施例6
一种碳纤维增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在490℃下灼烧40min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中40℃干燥7小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化65min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属镍
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化10min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化10min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表7。用去离子水洗至中性后，置于干燥箱中45℃干燥6小时、待用。
表7化学镀液组成及工艺参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为80微米铜粉与包覆金属镍的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合80min，在混合时添加20mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，铜粉与包覆金属镍的碳纤维的体积比为：97:3
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为500MPa。
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为200℃/h)升温至烧结温度(取铜熔点的0.7倍)、同时加压制压力30MPa，在高温下停留60min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是2L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.5mm，冲击速度为3m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
实施例7
一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在500℃下灼烧30min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中45℃干燥6小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化90min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铬
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化5min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化5min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表8。用去离子水洗至中性后置于干燥箱中35℃干燥8小时、待用。
表8化学镀液组成及工艺参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为60微米铝粉与包覆金属铬的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30min，在混合时添加10mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，铝粉与包覆金属铬的碳纤维的体积比为：99:1
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为300MPa；
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为200℃/h)升温至烧结温度(取铝熔点的0.7倍)、同时加压制压力20MPa，在高温下停留60min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.1mm，冲击速度为1m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
实施例8
一种碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在480℃下灼烧60min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中35℃干燥8小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化70min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铬
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化10min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化10min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表9。用去离子水洗至中性后置于干燥箱中45℃干燥6小时、待用。
表9化学镀液组成及工艺参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为80微米铝粉与包覆金属铬的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合80min，在混合时添加20mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，铝粉与包覆金属铬的碳纤维的体积比为：80:20
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为500MPa；
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为300℃/h)升温至烧结温度(取铝熔点的0.8倍)、同时加压制压力30MPa，在高温下停留90min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是2L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.5mm，冲击速度为3m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
实施例9
一种碳纤维增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，碳纤维的表面预处理
将碳纤维置于加热炉中在490℃下灼烧50min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h使焦炭溶解、清洁碳纤维表面，水洗多次后，置于干燥箱中40℃干燥7小时。再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化65min，用去离子水洗至中性。
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铬
将步骤1处理后的碳纤维先置于由SnCl2(0.1g/L)和HCl(40mL/L)组成的敏化液中，敏化10min，水洗2min后，再置于含PbCl2(1g/L)和HCl(30mL/L)组成的活化液中，活化10min，水洗。最后将敏化-活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，化学镀镀液成分及工艺参数见表10。用去离子水洗至中性后，置于干燥箱中45℃干燥6小时、待用。
表10化学镀液组成及工艺参数
步骤3，混合
称取一定量的粒径为70微米铜粉与包覆金属铬的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合70min，在混合时添加15mL/kg的酒精，加快混合效率和避免扬尘；其中，铜粉与包覆金属铬的碳纤维的体积比为:50:50
步骤4，成型
将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为400MPa；
步骤5，热压烧结
将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨(高强、高密、高导)模具(尺寸形状与钢压模类似)中。然后放在高温气氛保护热压炉中缓慢加热(升温速度为250℃/h)升温至烧结温度(取铜熔点的0.75倍)、同时加压制压力25MPa，在高温下停留80min后随炉冷却。所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1.5L/h。
步骤6，后处理
将步骤5烧结的碳纤维增强金属基复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，所用的砂粒粒径约0.4mm，冲击速度为2.5m/s。去除表面附着的一些附着物，同时改善表面的应力状态。
本发明的优点为：
(1)通过在碳纤维表面预先包覆金属再混合热压烧结，可大幅提高该复合材料的机械性能和物理性能；
(2)本发明制备碳纤维增强金属基复合材料的方法，操作简单、能耗少、成本低、生产效率高、易于工业化生产。

Claims (8)

1.一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将碳纤维表面进行预处理；
步骤1中碳纤维表面进行预处理的过程如下：将碳纤维置于加热炉中在480～500℃下灼烧30～60min进行热脱脂，再浸入丙酮中浸泡1h，水洗后，置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h，再将干燥后的碳纤维置于68wt％浓硝酸中，在90℃下粗化60～90min，用去离子水洗至中性；
步骤2，采用化学镀法在碳纤维表面镀金属铜、镍或铬；
步骤3，称取一定量的金属粉与包覆金属铜、镍或铬的碳纤维在酒桶式混料机中机械混合30～80min；
步骤4，将步骤3混合好的物料装在钢压模具中冷压成型,所选取的压制压力为300～500MPa；
步骤5，将步骤4冷压成型的生坯装在三高石墨模具中进行热压烧结；
步骤5中，热压烧结过程为：在高温气氛保护热压炉中缓慢加热至金属熔点的0.7～0.8倍、同时加压制压力20～30MPa，停留60～90min后随炉冷却，所用的保护气氛为氩气或氮气，气体流量是1～2L/h；
步骤6，将经步骤5烧结后的复合材料放到固体喷砂机中进行表面处理，即得碳纤维增强金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，采用化学镀法在碳纤维表面镀覆金属铜、镍或铬的具体过程如下：将步骤1处理后的碳纤维先置于由0.1g/L的SnCl2和40mL/L的HCl组成的敏化液中，敏化5～10min，水洗2min后，再置于含1g/L的PbCl2和30mL/L的HCl组成的活化液中，活化5～10min，水洗，最后将敏化～活化后的碳纤维置于化学镀镀液中进行化学镀，水洗后置于干燥箱中35～45℃干燥6～8h；在碳纤维表面镀覆金属铜后还需再经过钝化处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，用于在碳纤维表面镀覆金属铜的化学镀镀液组成为：硫酸铜10～20g/L，酒石酸钾钠20～30g/L，乙二胺四乙酸二钠15～25g/L，甲醛10～15mL/L，亚铁氰化钾10～20mg/L，其化学镀的工艺条件为：温度：45～60℃，时间：10～20min，采用氢氧化钠调节pH值至11.5～12.5。
4.根据权利要求2所述的一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，用于在碳纤维表面镀覆金属镍的化学镀镀液组成为：硫酸镍25～35g/L，柠檬酸钠25～40g/L，次亚磷酸钠20～30g/L，其化学镀的工艺条件为：温度：60～75℃，时间：3～10min，采用氨水调节pH值至7.5-8.5。
5.根据权利要求2所述的一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，用于在碳纤维表面镀金属铬的化学镀镀液组成为：氯化铬10～15g/L，铬酐260～300g/L，乙二胺四乙酸二钠5～10g/L，酒石酸钾钠15～20g/L，氟硅酸200～225mL/L，氢氧化钠10～12g/L，硫脲0.15～0.2mL/L，其化学镀的工艺条件为：温度：45～60℃，时间：30～40min，pH：7.5～8.5。
6.根据权利要求1所述的一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，包覆金属铜、镍或铬的碳纤维的体积占混合物料总体积的1％～50％。
7.根据权利要求1所述的一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中的金属粉为铜粉、铁粉、铝粉或钨粉。
8.根据权利要求1所述的一种基于化学镀的碳纤维增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤6中，所用的砂粒粒径0.1～0.5mm，冲击速度为1～3m/s。
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