CN112831767A - 一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，包括以下操作步骤：(1)复合材料表面清理；(2)复合材料表面整形及活化；(3)可探测金属层沉积；(4)高导电金属层沉积。本发明在复合材料上沉积可探测金属层、高导电金属层的双层结构：其中可探测金属层可配合磁感应、磁吸力探测，或X射线荧光光谱(XRF)测厚仪对覆着表面的高导电金属层进行原位无损厚度测试；高导电金属层采用Al、Ti或Ag等材料，形成均匀覆盖的金属化层，实现复合材料表面的金属化。

Description

一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法。

背景技术

复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)由增强纤维材料，与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成，具有高比强度、比模量，性能可调可设计，抗腐蚀性和耐久性好的特点，FRP材料能满足重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要，是目前极具竞争力和发展前景的材料。FRP材料目前已在民用、军事材料领域进行了广泛的应用，在航空航天领域，飞机机翼、机身、直升机外壳和旋翼桨叶、水平安定面、发动机零件、结构部件、头盔、雷达罩等，卫星结构主承力筒结构、天线反射器等均采用复合材料制造，涵盖了承力、非承力结构。

目前实现复合材料构件表面金属化的方法有很多，包括热冲压、化学镀、电镀、喷涂、真空镀膜等，各种方法针对不同的应用，各有优缺点。其中化学镀、电镀等湿法金属化传统方法需要先将复合材料构件清洗，再化学粗化、敏化，最后将复合材料构件放置于镀液中沉积金属薄膜，这类方法得到的金属薄膜结合力相对较低，厚度均匀性相对较差，而且由于在镀膜过程中需要将复合材料构件放置于镀液中，长时间的液体浸泡会导致复合材料构件的性能有一定程度的下降，甚至可能导致镀液进入复合材料构件夹层结构内部，同时热冲压、化学气相沉积温度较高易损伤复合材料基体，化学镀采用酸碱性液体同样对基体产生腐蚀影响，因此这类方法一般不适用于高性能复合材料构件的表面金属化；而喷涂法制备金属涂层，不需要昂贵的设备，操作简单，实施方便，但是喷涂法制备的金属涂层非常粗糙，致密性差，涂层厚度可控性差均匀性差，利用热喷涂法在复合材料构件表面制备金属涂层时，还需要注意复合材料构件的温度升高问题，不能满足高性能金属化工艺要求；真空镀膜法制备的金属薄膜由于沉积环境清洁而不易受到污染，因此具有纯度高，致密性好、结合力较高，且在一定沉积范围内厚度分布均匀的优点，是一种适用于高性能复合材料构件的表面金属化方法。真空镀膜法大致可分为蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜等。真空镀膜制备的金属薄膜覆盖完整，导电良好，致密牢固，厚度均匀。

复合材料由树脂与纤维组成，材料表面受纤维编织结构的影响呈现交错的花纹，导致表面粗糙度较大，影响镀膜过程，部分复合材料基体为环氧树脂类，承受处理温度较低，因此实际应用的雷达罩、天线等复合材料构件的表面金属化基本要求包括成膜温度低，膜厚均匀性优异及结合强度高。

目前对于复合材料构件表面低温金属化制备工艺主要采用电弧离子镀或磁控溅射工艺，采用离子源清洗基体表面进行复合材料表面的清洗、活化以提高复合材料表面的浸润性和表面能为后续金属薄膜沉积获得高结合力提供基础；再利用磁控溅射或电弧离子镀膜技术在复合材料表面沉积金属薄膜。但金属化薄膜成膜均匀性受复合材料表面形貌特点影响，随复合材料表面形貌及纤维分布位置、裸露情况分布严重不均；而复合材料材质、热膨胀系数与金属化薄膜的差异性较大，导致金属薄膜与复合材料表面结合强度较低；同时构件金属化过程薄膜厚度均匀性受镀膜位置和距离影响，其厚度均匀性的检测(现有的复杂构件厚度均匀性检测为加挂随炉样品，通过随炉样品厚度测试获取其厚度信息)和调控困难，特别是为保证构件表面的金属化薄膜的完整性，原位无损检测需求非常高，目前没有方法能解决以上问题。

发明内容

为了解决以上存在的问题，本发明提供一种一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法。

本发明在复合材料上沉积可探测金属层、高导电金属层的双层结构：其中可探测金属层采用高原子序数或磁性金属材料，可配合磁感应、磁吸力探测，或X射线荧光光谱(XRF)测厚仪对覆着表面的高导电金属层进行原位无损厚度测试，同时通过薄膜沉积进一步提高表面平整度，为后续高导电金属层均匀生长提供平台，解决了金属化薄膜在复合材料表面分布不匀；高导电金属层采用Al、Ti或Ag等材料，形成均匀覆盖的金属化层，实现复合材料表面的金属化。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，包括以下操作步骤：

(1)复合材料表面清理

对复合材料表面进行喷砂处理后，再对其表面进行清洗；

(2)复合材料表面整形及活化

将复合材料放入磁控溅射镀膜机中，对其表面进行高电压等离子体刻蚀处理，刻蚀后，复合材料的平整性增加，亲水性增加，表面能增加，涂层形核生长及结合强度增强；

(3)可探测金属层沉积

采用磁控溅射方法在复合材料表面沉积可探测金属层，溅射靶材为磁性材料或原子序数高于Ti的金属材料靶材中的任意一种，可探测金属层沉积的厚度为300nm～1μm；

(4)高导电金属层沉积

采用磁控溅射、阴极弧方法中的任意一种方法在步骤(3)得到的复合材料表面沉积高导电金属层，靶材为高导电材料，高导电金属层沉积的厚度为1μm以上。

具体地，上述步骤(1)中，喷砂处理时，喷砂压力为0.2～0.4MPa，喷砂介质为70～120目棕刚玉砂料。

具体地，上述步骤(1)中，清洗时采用超声波水洗或者酒精擦洗，清除表面附着物后，采用热风吹干表面。

具体地，上述步骤(2)中，高电压等离子体刻蚀处理的具体工艺为：将磁控溅射镀膜机真空抽至6×10^-3Pa以下，通入Ar气至内部气压为2×10^-1Pa～2×10^-2Pa，利用等离子体气体离化源，通过高电压输入到复合材料表面，刻蚀时间10-60min。

具体地，所述高电压为-700V～-10000V。

具体地，上述步骤(3)中，磁性材料包括但不限于Fe、Ni中的任意一种。

具体地，上述步骤(3)中，可探测金属层的沉积方法为：磁控溅射镀膜机内通入Ar气至2×10^-1Pa～2×10^-2Pa，进行溅射沉积，沉积厚度通过沉积时间、偏压大小及靶电流进行控制。

具体地，上述步骤(4)中，高导电金属层沉积的具体方法为：磁控溅射镀膜机内通入Ar气至2×10^-1Pa～2×10^-2Pa，进行磁控溅射或阴极弧方法在复合材料表面沉积高导电金属层，沉积厚度通过沉积时间及偏压大小及靶电流大小进行控制，厚度控制在1μm以上。

具体地，高导电金属层沉积时，磁控溅射时靶电流大小为2～12A，阴极弧方法时，靶电流大小为80～140A。

由以上的技术方案可知，本发明的有益效果是：

本发明通过在高导电金属层与复合材料基体表面间增加可探测金属层形成材质及结构的梯度变化，形成从有机材料至金属材料逐步过渡，同时在生长界面处通过高压等离子刻蚀提高界面表面能活性、改善表面粗糙度、去除杂质，提高整体的结合强度，通过这一结构设计及技术复合为高导电金属层沉积提供成分及粗糙度均匀的生长平台，提高导电金属层形核生长的均匀性、致密性，改善与复合材料表面的物性差异，提高薄膜整体结合强度，另外可探测金属层为构件表面高导电金属层厚度的原位无损检测提供探测基础，使得复杂形状复合材料表面金属化薄膜厚度探测成为可能。

附图说明

图1为本发明制得的沉积有可探测金属层、高导电金属层的双层结构的复合材料结构示意图。

图2为本发明复合材料表面金属化薄膜复合加工方法操作示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：带有铁磁性探测层的金属化薄膜

一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，如图2所示，包括以下操作步骤：

(1)复合材料表面清理

对复合材料表面进行喷砂处理后，再对其表面进行超声波水洗，清除表面附着物后，采用热风吹干表面，喷砂压力为0.2MPa，喷砂介质为70目棕刚玉砂料；

(2)复合材料表面整形及活化

将复合材料放入磁控溅射镀膜机中，对其表面进行高电压等离子体刻蚀处理，具体方法为：将磁控溅射镀膜机真空抽至6×10^-3Pa以下，通入Ar气至内部气压为6×10^-2Pa，利用等离子体气体离化源，通过-2000V的高电压输入到复合材料表面，刻蚀时间30min；

(3)可探测金属层沉积

采用磁控溅射方法在复合材料表面沉积可探测金属层，其中溅射磁控溅射方法采用中频磁控溅射方法，靶材为Ta靶，通入Ar气至8×10^-2Pa，进行溅射沉积，沉积时间为30分钟、偏压大小为-150V及靶电流为10A进行控制，得到的可探测金属层沉积的厚度为500nm；

(4)高导电金属层沉积

采用阴极弧方法在步骤(3)得到的复合材料表面沉积高导电金属层，靶材为Al靶，具体实施方法为：磁控溅射镀膜机内通入Ar气至1×10^-1Pa，沉积时间100min，偏压大小为-150V，靶电流大小为120A，厚度控制在2μm，最终得到如图1所示的沉积有可探测金属层、高导电金属层的双层结构的复合材料。

实施例2：带有高原子序数探测层的金属化薄膜

一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，如图2所示，包括以下操作步骤：

(1)复合材料表面清理

对复合材料表面进行喷砂处理后，再对其表面进行酒精擦洗，清除表面附着物后，采用热风吹干表面，喷砂压力为0.4MPa，喷砂介质为120目棕刚玉砂料；

(2)复合材料表面整形及活化

将复合材料放入磁控溅射镀膜机中，对其表面进行高电压等离子体刻蚀处理，具体方法为：将磁控溅射镀膜机真空抽至6×10^-3Pa以下，通入Ar气至内部气压为6×10^-2Pa，利用等离子体气体离化源，通过-2000V的高电压输入到复合材料表面，刻蚀时间30min；

(3)可探测金属层沉积

采用磁控溅射方法在复合材料表面沉积可探测金属层，其中溅射磁控溅射方法采用中频磁控溅射方法，靶材为Ta靶，通入Ar气至8×10^-2Pa，进行溅射沉积，沉积时间为30分钟、偏压大小为-150V及靶电流为10A进行控制，得到的可探测金属层沉积的厚度为500nm；

(4)高导电金属层沉积

采用阴极弧方法在步骤(3)得到的复合材料表面沉积高导电金属层，靶材为Al靶，具体实施方法为：磁控溅射镀膜机内通入Ar气至1×10^-1Pa，沉积时间100min，偏压大小为-150V，靶电流大小为120A，厚度控制在2μm，最终得到如图1所示的沉积有可探测金属层、高导电金属层的双层结构的复合材料。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改变、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

(1)复合材料表面清理

对复合材料表面进行喷砂处理后，再对其表面进行清洗；

(2)复合材料表面整形及活化

将复合材料放入磁控溅射镀膜机中，对其表面进行高电压等离子体刻蚀处理；

(3)可探测金属层沉积

采用磁控溅射方法在复合材料表面沉积可探测金属层，溅射靶材为磁性材料或原子序数高于Ti的金属材料靶材中的任意一种，可探测金属层沉积的厚度为300nm～1μm；

(4)高导电金属层沉积

采用磁控溅射、阴极弧方法中的任意一种方法在步骤(3)得到的复合材料表面沉积高导电金属层，靶材为高导电材料，高导电金属层沉积的厚度为1μm以上。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，上述步骤(1)中，喷砂处理时，喷砂压力为0.2～0.4MPa，喷砂介质为70～120目棕刚玉砂料。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，上述步骤(1)中，清洗时采用超声波水洗或者酒精擦洗，清除表面附着物后，采用热风吹干表面。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，上述步骤(2)中，高电压等离子体刻蚀处理的具体工艺为：将磁控溅射镀膜机真空抽至6×10^{- 3}Pa以下，通入Ar气至内部气压为2×10^-1Pa～2×10^-2Pa，利用等离子体气体离化源，通过高电压输入到复合材料表面，刻蚀时间10-60min。

5.根据权利要求4所述的一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，所述高电压为-700V～-10000V。

6.根据权利要求1所述的一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，上述步骤(3)中，磁性材料包括但不限于Fe、Ni中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，上述步骤(3)中，可探测金属层的沉积方法为：磁控溅射镀膜机内通入Ar气至2×10^-1Pa～2×10^-2Pa，进行溅射沉积，沉积厚度通过沉积时间、偏压大小及靶电流进行控制。

8.根据权利要求1所述的一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，上述步骤(4)中，高导电金属层沉积的具体方法为：磁控溅射镀膜机内通入Ar气至2×10^-1Pa～2×10^-2Pa，进行磁控溅射或阴极弧方法在复合材料表面沉积高导电金属层，沉积厚度通过沉积时间及偏压大小及靶电流大小进行控制，厚度控制在1μm以上。

9.根据权利要求8所述的一种复合材料表面金属化薄膜复合加工方法，其特征在于，高导电金属层沉积时，磁控溅射时靶电流大小为2～12A，阴极弧方法时，靶电流大小为80～140A。

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