TW201318840A

TW201318840A - 表面合金化之碳纖維複合材料及其製程

Info

Publication number: TW201318840A
Application number: TW100140296A
Authority: TW
Inventors: bao-xian Xie
Original assignee: Metal Ind Res & Dev Ct
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-16

Abstract

一種表面合金化之碳纖維複合材料及其製程，其製程係首先提供一碳纖維層，再於碳纖維層表面進行導電處理，繼而電鑄一鎳鈷合金層於該碳纖維層表面。

Description

表面合金化之碳纖維複合材料及其製程

本發明係有關於一種碳纖維複合材料及其製法，特別是有關於一種改變碳纖維複合材料表面特性的表面處理方法及其複合材料。

碳纖維質輕堅硬，用途十分廣泛。從材料應用面來說，著重於輕量化、耐蝕性優良、強度佳與低材料成本之碳纖維金屬複合材料開發方面，以碳纖維/環氧和碳纖維/複合樹脂材料應用在戰機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，可達到明顯的減重作用；而以碳纖維製作成形後，再經過硬陽處理，增加其表面的耐磨耗及耐蝕性；碳纖維表面以無電鍍鎳、銅及銀為主要研究技術，應用於電磁波遮蔽。從製程技術面而言，主要製程技術以無電鍍或物理氣相沉積(蒸鍍/濺鍍)，在材料的表面沉積金屬為主，碳纖維表面前處理為主要重點，材料前處理將會影響後續表層材料的結合性。

另外，以現有自行車車架材料與碳纖維車架比較如下：(1)鋼製車架：鋼是使用在單車上時間最久的材質，用在車架結構的鋼材主要有碳鋼與鉻鉬鋼等規格，主要的優點是剛性強，不易累積金屬疲勞，管材接合方式多而且加工較容易，因此廣為低價的車種使用，而鋼管的缺點則是重量過重，在高濃度鹽份的空氣中(如海邊)，容易腐蝕。(2)鋁合金車架：常用於車架的鋁合金有6061、7005與7075等規格，雖然鋁合金的彈性係數(70GPa)只有鋼(210GPa)的三分之一，但仍只可藉由改變管件截面形狀與增加管厚來提升鋁合金車架的剛性。鋁合金車架在輕量化與吸震性上都優於鋼製車架，且不會像鋼製車架容易生鏽，但較易累積金屬疲勞。相較於鈦合金與碳纖維車架，價格便宜製造容易，所以目前車架大多是鋁合金材質。(3)鋁合金/碳纖維車架：鋁合金管件外面再包覆一層碳纖維，形成鋁合金/碳纖維複合車架，在輕量化、強度與剛性上明顯優於鋁合金車架，但成本也相對的增加許多。(4)碳纖維車架：利用碳結的纖維絲編織與環氧樹脂壓模而成，質輕、強硬、堅固、耐用，可以在同一個車架上依照應力分佈安排不同管厚、疊層與纖維方向，也給予車架設計者自由的設計空間，缺點是材料與製造成本高，不能受到過大外力的擠壓或受力不均勻，像一些碳纖維座管或碳纖維把手、龍頭都會要求最大的鎖緊力道不能超過一定的限制，材質是編織而成所以不能被其它硬度高的材質磨擦否則會破壞它的編織結構，一旦結構出現裂痕，很容易發生脆性破裂，此外，其耐蝕刻性亦有所顧忌，對水份之防水性較差。(5)鈦合金車架：鈦合金強度高，密度較低，在輕量化上頗具優勢，且耐疲勞、耐腐蝕不會生鏽，各項特性優異。缺點是材料成本高，焊接時需在密閉容器中以惰性氣體保護，且加工不易。

一般而言，碳纖維具有高的比強度、比模量(楊式係數)，以表現出優良的輕量化特性，但其缺點為受撞擊容易碎裂與怕刮傷。

碳纖維表面金屬化方法有很多，物理方法有濺射法、離子鍍膜法和金屬粉末噴塗等，化學方法主要有化學鍍(無電鍍)和電鍍，有文獻報導了在碳纖維表面電鍍或化學鍍單金屬層(如銅、鎳、銀)等鍍層，而電鍍合金鍍層卻少見研究，不論是化學鍍還是電鍍都很困難，原因是碳纖維直徑小(直徑一般為7 μm)、表面光滑、親油疏水，所以金屬層與碳纖維往往結合得不緊密。

本發明係揭示一種以電鑄工法合金化碳纖維表面的製造方法及其複合材料。

本發明之表面合金化之碳纖維複合材料的製造方法包括：首先，提供一具有一第一表面的碳纖維基材。再於該第一表面進行導電處理。再電鑄鎳鈷合金於該碳纖維層之該第一表面，以形成一鎳鈷合金層。

上述一實施例中，該鎳鈷合金層之鈷金屬含量為25%～40%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質，較佳地，該鎳鈷合金層之鈷金屬含量為30%～36%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質。

本發明之表面合金化之碳纖維複合材料，包括：一碳纖維基材以及一沉積於該碳纖維基材之鎳鈷合金層。

該鎳鈷合金層之鈷金屬含量為25%～40%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質，較佳地，該鎳鈷合金層之鈷金屬含量為30%～36%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質。本發明之特點在於，本發明之碳纖維/鎳鈷複合材料能大幅改善改純碳纖維受撞擊容易碎裂與怕刮傷的缺點，又能維持碳纖維質輕的特點，並可提升金屬鍍層性能、取代以碳纖維為基材之性能，並提高碳纖維的附加價值。本發明之高強度鎳鈷合金與碳纖維材料複合技術應用於自行車產業，能製造出碳纖維/鎳鈷複合車架、手把、曲柄等結構件，有別於市場主流的鋁合金、鉻鉬鋼、碳纖維與鈦合金車架，碳纖維/鎳鈷複合車架能大幅改善改碳纖維車架受撞擊容易碎裂與怕刮傷的缺點，又能維持碳纖維質輕的特點。

茲配合圖式將本發明諸實施例詳細說明如下。

請先參照圖1所繪示的本發明之表面合金化之碳纖維複合材料的製造方法一實施例之流程圖以及圖2A、2B所繪示的本發明之表面合金化之碳纖維複合材料一板材及管材實施例之剖視圖。本實施例之製造方法包括：步驟S10，提供一碳纖維基材10，其係具有一第一表面11，該碳纖維基材10依使用目的之不同，可為但不限於一板材或一管材。步驟S20，於該第一表面11進行「導電處理」，該導電處理係可選擇為銀鏡處理，以使該第一表面11的局部或全部具有導電性。較佳地，於該步驟S20之前可另提供一步驟S15，以對該第一表面11進行前處理，其所指的前處理包含對該第一表面11進行清洗、脫脂以及活化等步驟。步驟S30，以電鑄工法於該碳纖維基材10之該第一表面11形成一鎳鈷合金層20。本步驟係藉由步驟S20，使該第一表面11的局部或全部具有導電性，再將該碳纖維基材10與鎳、鈷金屬放入電鑄溶液槽體，使和陰陽極向的直流電源相向導通後，陽極的鎳、鈷金屬則溶解沈積於陰極的該第一表面11上，直到一適當厚度後，再自電鑄液取出碳纖維基材10，並清洗與乾燥該碳纖維基材10，即於該第一表面11形成所需的鎳鈷合金層20。

上述實施例中，該碳纖維複合材料之鎳鈷合金層20之鈷金屬含量為25%～40%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質，較佳地，該鎳鈷合金層20之鈷金屬含量為30%～36%，以進一步提昇鎳鈷合金層20之強度(也等於提昇該碳纖維複合材料之強度)。

上述實施例中所形成的該碳纖維複合材料之鎳鈷合金層20的抗拉強度為131.3～177.1 Kgf/mm²(每平方公厘的公斤力數)、延伸率為1～6、硬度為580～620 HV(維氏硬度)。

續請參照圖3所示之本發明之表面合金化之碳纖維複合材料與習知結構材料之材料特性雷達圖。本發明所製成之內層為碳纖維/外層為鎳鈷合金之碳纖維複合材料應用於自行車車架結構，對鉻鉬鋼、鋁合金、鋁合金/碳纖維、碳纖維、鈦合金等習知自行車車架結構之特性評比如下表1所示，而本發明之碳纖維複合材料與習知自行車車架結構之特性評比雷達圖如圖3所示。

因此，本發明之碳纖維/鎳鈷複合結構在剛性、強度、輕量化、抗腐蝕、抗疲勞、耐磨損以及耐撞擊各項特性指標都有不錯的表現，所以碳纖維/鎳鈷複合結構非常適合應用於自行車車架等結構上。

由上述可知，本發明之特點係在於：本發明之碳纖維/鎳鈷複合材料能改善改純碳纖維受撞擊容易碎裂與怕刮傷的缺點，又能維持碳纖維質輕的特點，並可提升金屬鍍層性能、取代以碳纖維為基材之性能。本發明之高強度鎳鈷合金與碳纖維材料複合技術應用於自行車產業，能製造出碳纖維/鎳鈷複合車架、手把、曲柄等自行車結構件，有別於市場主流的鋁合金、鉻鉬鋼、碳纖維與鈦合金車架，碳纖維/鎳鈷複合車架能大幅改善改碳纖維車架受撞擊容易碎裂與怕刮傷的缺點，又能維持碳纖維質輕的特點。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

10．．．碳纖維基材

11．．．第一表面

20．．．鎳鈷合金層

步驟S10~S30　製造方法步驟

圖1繪示本發明之表面合金化之碳纖維複合材料的製造方法一實施例之流程圖；

圖2A繪示本發明之表面合金化之碳纖維複合材料一板材實施例之剖視圖；

圖2B繪示本發明之表面合金化之碳纖維複合材料一管材實施例之剖視圖；以及

圖3繪示本發明之碳纖維複合材料與習知自行車車架結構之特性評比雷達圖。

步驟S10~S30　製造方法的步驟

Claims

一種表面合金化之碳纖維複合材料的製造方法，包括：提供一碳纖維基材，其係具有一第一表面；於該第一表面進行導電處理；以及以電鑄工法於該碳纖維層之該第一表面形成一鎳鈷合金層。
如申請專利範圍第1項所述表面合金化之碳纖維複合材料的製造方法，其中，該鎳鈷合金層之鈷金屬含量為25%～40%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質。
如申請專利範圍第1項所述表面合金化之碳纖維複合材料的製造方法，其中，該鎳鈷合金層的鈷金屬含量為30%～36%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質。
如申請專利範圍第1項所述表面合金化之碳纖維複合材料的製造方法，其中，該碳纖維基材為一自行車結構件。
一種表面合金化之碳纖維複合材料，包括：一碳纖維基材；以及一沉積於該碳纖維基材之鎳鈷合金層。
如申請專利範圍第5項所述表面合金化之碳纖維複合材料，其中，該鎳鈷合金層之鈷金屬含量為25%～40%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質。
如申請專利範圍第5項所述表面合金化之碳纖維複合材料，其中，該鎳鈷合金層之鈷金屬含量為30%～36%，其餘為鎳金屬及不可避免之雜質。
如申請專利範圍第5、5或7項所述表面合金化之碳纖維複合材料，其中，該碳纖維基材為一管材或一板材。
如申請專利範圍第5、6或7項所述表面合金化之碳纖維複合材料，其中，該碳纖維基材為一自行車結構件。
如申請專利範圍第5、6或7項所述表面合金化之碳纖維複合材料，其中，該表面合金化之碳纖維複合材料係用於一自行車結構件。