CN109338309B - 一种碳纤维表面金属化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料表面处理技术领域，尤其涉及一种碳纤维表面金属化方法，该方法包括以下步骤：A、将碳纤维缠绕在挂架上并置于盛放有丙酮的容器中，然后将容器置于超声池中超声处理，备用；B、将挂架的两端固定在多弧离子镀真空腔体内的工件转盘上并抽至真空，然后进行升温；C、向多弧离子镀真空腔体内通入150‑180cm3/min氩气，然后在挂架上的碳纤维施加700‑800V负偏压，5‑10min后，将氩气的流量调节至80‑100cm3/min，碳纤维的负偏压调节至50‑100V，接着将待镀金属靶材通电起弧，靶电流为60‑90A，最后镀制10‑20min；本发明方法操作简单，环境污染小，镀制的膜层与碳纤维结合紧密，镀膜均匀。

Description

一种碳纤维表面金属化方法
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域，尤其涉及一种碳纤维表面金属化方法。
背景技术
目前碳纤维镀膜多采用化学镀或电镀，环境污染是其主要问题，此外所镀膜层附着力不佳，膜层厚度不均匀等问题，而还有采用磁控溅射技术对碳纤维镀膜，但磁控溅射镀制工艺条件严格，操作复杂等问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种碳纤维表面金属化方法，其操作简单，环境污染小，镀制的膜层与碳纤维结合紧密，镀膜均匀。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种碳纤维表面金属化方法，包括以下步骤：
A、将碳纤维缠绕在挂架上，并置于盛放有丙酮的容器中，然后将容器置于超声池中超声处理，备用；
B、将挂架的两端固定在多弧离子镀真空腔体内的工件转盘上，并抽至真空，然后进行升温；
C、向多弧离子镀真空腔体内通入150-180cm3/min氩气，然后向挂架上的碳纤维施加700-800V负偏压，5-10min后，将氩气的流量调节至80-100cm3/min，碳纤维的负偏压调节至50-100V，接着将待镀金属靶材通电起弧，靶电流为60-90A，最后镀制10-20min。
本发明的有益效果是：本发明方法其操作简单，环境污染小，镀制的膜层与碳纤维结合紧密，镀膜均匀。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在步骤A中，所述丙酮的质量分数大于等于99.5％。
进一步，在步骤A中，所述超声时间为30-50min。
进一步，在步骤B中，所述多弧离子镀真空腔体内抽真空至2.0×10-2Pa-3.0×10- 2Pa。
进一步，在步骤B中，所述多弧离子镀真空腔体内升温后温度控制在150-170℃。
进一步，在步骤C中，所述待镀金属靶材为钛、铜或镍。
附图说明
图1为本发明实施例2镀制铜的碳纤维扫描电镜图；
图2为本发明实施例1镀制钛的碳纤维扫描电镜图；
图3为本发明实施例1镀制钛的碳纤维截面扫描电镜图；
图4为本发明实施例1镀制钛的碳纤维丝束扫描电镜图；
图5为本发明实施例3镀制镍的碳纤维扫描电镜图；
图6为未镀制的碳纤维扫描电镜图；
图7为电磁屏蔽效率柱状分析图；
图8为实施例4镀制铜的碳纤维扫描电镜图；
图9为实施例5镀制镍的碳纤维扫描电镜图；
图10挂架结构示意图；
图11为碳纤维缠绕在挂架上的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件如下：
1、支撑杆，2、圆盘，3、连接杆，4、黄铜丝。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
A、将碳纤维缠绕在挂架上，并置于盛放有质量分数为99.5％丙酮的容器中，然后将容器置于超声池中超声30min处理，备用；
B、将挂架的两端固定在多弧离子镀真空腔体内的工件转盘上，并抽至真空至3.0×10-2Pa，然后进行升温至150℃；
C、向多弧离子镀真空腔体内通入180cm3/min氩气，然后向挂架上的碳纤维施加800V负偏压，10min后，将氩气的流量调节至100cm3/min，碳纤维的负偏压调节至100V，接着将待镀金属靶材钛通电起弧开始镀制，靶电流为60A，最后镀制10min。
实施例2
A、将碳纤维缠绕在挂架上，并置于盛放有质量分数为99.6％丙酮的容器中，然后将容器置于超声池中超声40min处理，备用；
B、将挂架的两端固定在多弧离子镀真空腔体内的工件转盘上，并抽至真空至2.0×10-2Pa，然后进行升温至170℃；
C、向多弧离子镀真空腔体内通入150-180cm3/min氩气，然后向挂架上的碳纤维施加800V负偏压，5min后，将氩气的流量调节至100cm3/min，碳纤维的负偏压调节至50V，接着将待镀金属靶材铜通电起弧开始镀制，靶电流为90A，最后镀制10min。
实施例3
A、将碳纤维缠绕在挂架上，并置于盛放有质量分数为99.5％丙酮的容器中，然后将容器置于超声池中超声50min处理，备用；
B、将挂架的两端固定在多弧离子镀真空腔体内的工件转盘上，并抽至真空至2.0×10-2Pa，然后进行升温至170℃；
C、向多弧离子镀真空腔体内通入150cm3/min氩气，然后向挂架上的碳纤维施加800V负偏压，5min后，将氩气的流量调节至100cm3/min，碳纤维的负偏压调节至80V，接着将待镀金属靶材镍通电起弧开始镀制，靶电流为85A，最后镀制10min。
在上述实施例1与实施例3中的挂架的结构如图10所示，该挂架包括竖直布置的支撑杆1，支撑杆1的两端上垂直固定连接有圆盘2，圆盘2的侧面上固定连接有多个连接杆3，连接杆3的远离圆盘2的一端处固定连接有挂钩(图中未画出)，两个圆盘2上的相互对应的挂钩之间连接有黄铜丝3，黄铜丝3由多根黄铜丝3缠绕而成的，测试的碳纤维直接呈螺旋状的缠绕在黄铜丝3上。
实施例4
(1)镀前预处理
①去胶：将碳纤维放入马弗炉内在400摄氏度高温下烧60min，去除表面有机保护胶；
②粗化：取去胶后的碳纤维在质量分数为20％硝酸溶液中煮沸8min，取出用蒸馏水洗净；
③中和：将粗化后的碳纤维放入质量分数为10％的氢氧化钠溶液中浸泡，中和表面的硝酸，然后用蒸馏水清洗至中性；
④敏化和活化：取27mL质量分数为37％的盐酸，水23mL配成溶液，放入45℃的水浴中保温一段时间，然后称量2.5g氯化亚锡放入溶液中，将经过中和处理后的碳纤维放入溶液中并不断搅拌，再加入0.025g氯化钯，保温10min，然后取出用蒸馏水清洗；
⑤解胶：取7.5mL质量分数为98％的浓硫酸，1.25mL质量分数为37％的盐酸，水50mL配成解胶液，将解胶液放入45℃水浴中保温一段时间，然后将碳纤维放入溶液中浸泡2min；
⑥还原：称量1g次磷酸钠与量取50mL水，配成还原液，将还原液放入25℃水浴中保温一段时间，然后将处理过的碳纤维放入溶液中浸泡1min，取出用蒸馏水洗净；
(2)化学镀铜
①配制镀液：取200mL蒸馏水放入400mL烧杯中，称量3.4gCuSO4·5H2O、5g乙二胺四乙酸、3.6gNaOH、5g NaKC4H4O6·4H2O、3mLHCHO、1.2mgα联吡啶、4mg K4Fe(CN)6·3H2O配成镀液，将镀液放在40℃恒温水浴中保温；
②施镀：称取1g经表面预处理的碳纤维加入镀液中并不断搅拌，用精密pH试纸检测镀液pH值，观察碳纤维颜色变化，碳纤维逐渐变红并有气泡冒出；
③后处理：待镀液中气泡逐渐较小至消失后，取出碳纤维并用蒸馏水清洗干净，放入真空干燥箱中干燥。
实施例5
(1)预处理
以NaH2PO2·H2O为还原剂NiSO4·6H2O为主盐，将碳纤维400℃高温灼烧5min，出去其表面的有机粘接剂；用60℃的无水乙醇浸泡30min以除去碳纤维表面油污，将碳纤维浸入粗化液((NH4)2S2O8200g/L、H2SO4100mL/L)室温搅拌15min，将粗化后的碳纤维依次浸入敏化液(SnCl220g/L、HCl 40mL/L)和活化液(PbCl20.25g/L、HCl 2.5mL/L)分别室温搅拌5min，所有的预处理过程都在超声环境中进行保证其均匀性；
(2)配制镀液及镀制
镀液成分及浓度为：NiSO4·H2O 30g/mL，NaH2PO2·H2O 10mg/mL，NH4Cl 50g/mL，Na3C6H5O7·2H2O 25g/mL，用NH3·H2O调节pH值至9.0，将碳纤维置于镀液中，镀液温度保持在60℃，镀膜时间为10min。
实施例6
1、分别将实施例2与实施例4镀铜后的碳纤维制备成固体润滑材料，应用摩擦磨损试验机测试耐磨性能。
固体润滑材料的制备：
将实施例4化学镀铜的碳纤维、未镀膜的碳纤维、实施例2镀铜的碳纤维分别称取1g，分别加入10g聚四氟乙烯中，并采用如下方法制备固体润滑材料，具体步骤如下：
(1)混料：将碳纤维及聚四氟乙烯混合均匀；
(2)冷压成型：将称量好的混合物放入模具中冷压，压力为70-80MPa，保压5min后取出；
(3)烧结：取出成型后的圆柱体，放入马弗炉中烧结，烧结过程为：升温250℃，保温30min，将温度升到320℃保温60min，将温度升至380℃保温60min，降温至320℃保温60min，降温至250℃保温30min；
(4)后处理：为得到晶粒均匀、结晶度高的材料，采用随炉冷却的方法。
测试方法：采用销盘式摩擦磨损试验机测试制备的固体润滑材料的摩擦性能，以制备的固体润滑剂圆柱(Φ8mm×20mm)为销，45#钢为盘(淬火、Φ50mm×8mm、R0.4微米)摩擦实验条件：载荷58.8N，转速400r/min，运行时间15min，其结果如下表1所示：
表1
试样 磨损质量/g 摩擦因数
实施例4化学镀铜的碳纤维固体润滑材料 0.0048 0.229
未镀制铜碳纤维固体润滑材料 0.0052 0.208
实施例2镀铜的碳纤维固体润滑材料 0.0038 0.221
采用实施例2镀铜的碳纤维固体润滑材料，摩擦系数及磨损质量均小于实施例4化学镀铜的碳纤维固体润滑材料以及未镀制铜碳纤维固体润滑材料，因此多弧离子镀镀铜的碳纤维，铜的附着力优于化学镀镀制的铜膜，并在摩擦磨损实验中表现出了更好的耐磨性。
2.电磁屏蔽效果的测试
采用屏蔽室法(GB12190-90)测试材料电磁屏蔽性能。
将环氧树脂和固化剂(乙二胺、己二胺或二乙烯三胺)按照体积比3：1的比例混合，并分别加入体积分数为10％、长度为1mm的未镀膜碳纤维和体积分数为10％的长度为1mm的实施例5化学镀镍碳纤维及实施例3镀镍的碳纤维，然后放入混料机中混料，取出后压制成300mm×300mm×4mm的方块测试电磁屏蔽性能。
选取有代表性的10个频点进行测试其中低频频段(100-1×106Hz)，选取14KHz、150KHz、1MHz3个频点，中频频段(1-1000MHz)，选取30、450MHz2个频点、高频频段(1-18GHz)，选取1、3、10、18GHz四个频点，其结果如图7：
由图7可知：相比未镀膜的碳纤维，实施例5化学镀镍碳纤维及实施例3镀镍的碳纤维制作的复合材料板材电磁屏蔽效率平均提升了20.66％，实施例3镀镍的碳纤维相比于未镀膜和实施例5化学镀镍碳纤维电磁屏蔽效率分别提升了23.55％和2.48％，同时通过附图1与图8相比以及图5与图9相比，图1铜镀制在碳纤维表面形成的膜层更加均匀致密，图5镍镀制在碳纤维表面形成的膜层更加均匀致密。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碳纤维表面金属化方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将碳纤维缠绕在挂架上，并置于盛放有丙酮的容器中，然后将容器置于超声池中超声处理，备用；
B、将挂架的两端固定在多弧离子镀真空腔体内的工件转盘上，并抽至真空至2.0×10- 2Pa-3.0×10-2Pa，然后进行升温；
C、向多弧离子镀真空腔体内通入150-180cm3/min氩气，然后向挂架上的碳纤维施加700-800V负偏压，5-10min后，将氩气的流量调节至80-100cm3/min，碳纤维的负偏压调节至50-100V，接着将待镀金属靶材通电起弧，靶电流为60-90A，最后镀制10-20min。
2.根据权利要求1所述一种碳纤维表面金属化方法，其特征在于，在步骤A中，所述丙酮的质量分数大于等于99.5％。
3.根据权利要求1所述一种碳纤维表面金属化方法，其特征在于，在步骤A中，所述超声时间为30-50min。
4.根据权利要求1所述一种碳纤维表面金属化方法，其特征在于，在步骤B中，所述多弧离子镀真空腔体内升温后温度控制在150-170℃。
5.根据权利要求1所述一种碳纤维表面金属化方法，其特征在于，在步骤C中，所述待镀金属靶材为钛、铜或镍。
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