碳纖維表面鍍銅的初步研究

摘 要：介紹了碳纖維鍍銅的前處理工藝及化學(xué)鍍、電鍍的工藝流程，鍍層效果可以通過(guò)增重率、纖維直徑的變化及電阻變化率等來(lái)衡量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化學(xué)鍍獲得的碳纖維鍍層均勻、致密、結(jié)合力好。
關(guān)鍵詞：碳纖維，預(yù)處理，化學(xué)鍍；電鍍

表面金屬化的碳纖維可以用作電磁干擾(EMI)屏蔽填充物, 以及碳纖維增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料。本文介紹了碳纖維表面鍍銅的前處理工藝及化學(xué)鍍、電鍍的工藝，通過(guò)比較得出了纖維表面金屬化的最優(yōu)方案。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料
原料采用日本東麗公司T300(6K)碳纖維, 其主要物理機(jī)械性能見(jiàn)表1。

表1 東麗T300（6K）碳纖維的主要物理力學(xué)性能


1.2 化學(xué)鍍銅的實(shí)驗(yàn)工藝流程 123,123
碳纖維的表面鍍銅層是以機(jī)械嵌合的方式和碳纖維結(jié)合在一起的[1]。鍍銅時(shí)析出的銅原子首先在碳纖維表面的溝槽內(nèi)沉積，碳纖維表面的粗糙度在很大程度上影響了鍍層與碳纖維的緊密結(jié)合程度。未經(jīng)處理的碳纖維表面不易附著銅原子,因此，需要先對(duì)碳纖維表面進(jìn)行預(yù)處理。
碳纖維化學(xué)鍍銅工序：碳纖維→脫膠→粗化→中和→敏化→活化→解膠和還原→化學(xué)鍍銅→鍍銅碳纖維。各工序主要作用如下：

(1) 脫保護(hù)膠 大多數(shù)碳纖維出廠時(shí)外層帶有環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)膠，在化學(xué)鍍前需要進(jìn)行表面脫膠，以提高碳纖維的結(jié)合力。
(2)粗化 粗化是在碳纖維表面進(jìn)行刻蝕，使其表面呈現(xiàn)溝槽狀，便于敏化、活化,使起催化作用的鈀更易沉積在碳纖維表面，從而有利于化學(xué)鍍時(shí)銅元素的沉積。粗化液一般選用具有強(qiáng)氧化性的溶劑配制而成。
(3) 中和 中和粗化后留在碳纖維表面低凹處殘留的具有氧化性的酸。

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(4) 敏化 使其表面吸附一層還原性物質(zhì)，在活化時(shí)，活化劑被還原并留在碳纖維表面形成催化晶核。敏化和活化可以分步進(jìn)行，也可以同步進(jìn)行。
(5) 活化 使敏化處理后的碳纖維浸入含有催化活性的貴金屬（Ag+、Pd+）溶液中，使碳纖維表面形成一層具有催化活性的貴金屬層。
(6) 解膠和還原 解膠、還原是將經(jīng)過(guò)活化處理的碳纖維表面的膠體鈀進(jìn)行解膠，然后放入次氯酸溶液中還原。
(7) 化學(xué)鍍 化學(xué)鍍銅就是依靠還原劑使鍍液中的Cu2+ 還原成金屬銅而沉積在碳纖維表面,常用甲醛HCHO作為還原劑。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是在具有催化活性的表面上發(fā)生氧化還原反應(yīng)?；瘜W(xué)鍍銅的反應(yīng)式為：
Cu2+ + 2HCHO + 4OH¯ —→ Cu↓ + H2↑ + 2H2O + 2HCOO‾

1.3 化學(xué)鍍技術(shù)參數(shù)

1.3.1 脫膠
分別采用丙酮、硝酸浸泡法及空氣灼燒法。丙酮和硝酸濃度選擇100%、75%、60%、50%、40%、25%進(jìn)行試驗(yàn)；空氣灼燒分別在400℃、600℃兩種溫度條件進(jìn)行。

1.3.2 粗化
選擇過(guò)磷酸銨20g，H2O 100ml配成溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 中和
選擇10%的NaOH液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.4 敏化和活化
本實(shí)驗(yàn)中采用敏化活化同步法。敏活化配方：0.5g/LPdCl2 , 50g/LSnCl2 , 30%（體積比）的HCl,時(shí)間為10min ，溫度為40–50℃。

1.3.5 解膠和還原
選擇98%H2SO4150 ml∕L, 37%HCL25ml∕L , 處理溫度40～50℃, 處理時(shí)間2分鐘。還原液為10% HCHO 溶液，溫度控制在20～30℃，處理時(shí)間為1分鐘。

1.3.6 化學(xué)鍍
采用配方：10 g/L CuSO4•H2O , 20 g/L NaOH 溶液, 10 ml/L 甲醛， 50 g/L 酒石酸鉀鈉，并利用水浴加熱到40℃。

1.4 電鍍
電鍍是利用電解方法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行加工的一種工藝。電解時(shí)將碳纖維作為陰極，鍍液中的金屬離子在直流電的作用下沉積在碳纖維表面形成致密的金屬鍍層,這種金屬沉積的特點(diǎn)是從外電源得到電子。其流程：去膠-粗化-中和-敏化活化-還原-鍍銅-鍍銅碳纖維。本實(shí)驗(yàn)中原料的預(yù)處理采用與化學(xué)鍍銅相同的工藝。 內(nèi)容來(lái)自123456
本實(shí)驗(yàn)用石墨做電極的裝置，電鍍銅鍍液配方為：五水硫酸銅10ｇ、水800 ml，電鍍時(shí)間130分鐘，電流140 mA，兩電極之間的距離8.8cm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳纖維表面除膠

2.1.1 不同濃度溶劑浸泡后碳纖維失重率
采用丙酮、硝酸作為溶劑進(jìn)行浸泡，不同濃度條件下，碳纖維浸泡后的失重率見(jiàn)表2。

表2 不同濃度溶劑浸泡碳纖維失重率(浸泡90分鐘)

由此可見(jiàn)，溶劑濃度影響去膠的效果，濃度越高，去膠效果越好。

2.1.2 不同浸泡時(shí)間碳纖維失重率
采用60%丙酮、100%硝酸作為溶劑進(jìn)行浸泡，不同浸泡時(shí)間下，碳纖維浸泡后的失重率見(jiàn)表3。

表3 不同浸泡時(shí)間碳纖維失重率
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可以看出隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)去膠效果越好。

2.1.3 灼燒后的失重率
采用在空氣中進(jìn)行灼燒的方法，分別在400℃保溫30分鐘，升溫至600℃不保溫和升溫至600℃保溫30分鐘。碳纖維失重率見(jiàn)表4。
表3 灼燒后碳纖維失重率


隨著溫度的提高，達(dá)到400℃后，碳纖維手感柔軟，彎曲性能、強(qiáng)力也幾乎未變，達(dá)到600℃后碳纖維強(qiáng)力嚴(yán)重受損，纖維被氧化。所以采用灼燒法時(shí)，溫度不宜超過(guò)400℃。

2.2 粗化后失重率
采用經(jīng)過(guò)100%丙酮、50% HNO3、40%HNO3浸泡120分鐘的碳纖維，在過(guò)磷酸銨配制的溶液中進(jìn)行處理。處理后碳纖維的失重率見(jiàn)表4。

表4 不同粗化處理時(shí)間碳纖維失重率

可見(jiàn)過(guò)硫酸銨20ｇ、水100 ml浸泡30分鐘粗化效果較好。

2.3 化學(xué)鍍銅前后纖維直徑電阻值的變化
采有電子顯微鏡觀察測(cè)量鍍銅前后纖維直徑的變化，未鍍銅前碳纖維直徑為7微米，鍍銅后纖維直徑變?yōu)?3微米左右。測(cè)試?yán)w維鍍銅前后的電阻變化，鍍銅后碳纖維的電阻比鍍銅前碳纖維電阻下降了33.22 %。鍍銅后在碳纖維表面形成一層鍍銅層，因此纖維的直徑變粗，纖維的導(dǎo)電性能也發(fā)生的改變。

2.4 碳纖維表面鍍銅后表面形態(tài)

圖1 化學(xué)鍍銅后碳纖維表面形態(tài)


圖2 電鍍銅后碳纖維表面形態(tài)

圖1、圖2分別是用掃描電鏡觀察的碳纖維表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅和電鍍銅后的表面形態(tài)圖?？梢钥闯鲋苯与婂兯玫降你~鍍層很不均勻，纖維束外部的纖維鍍層很厚，但內(nèi)部的碳纖維由于屏蔽效應(yīng)鍍得很不均勻甚至鍍不上?；瘜W(xué)鍍銅后碳纖維表面比較均勻，光潔，鍍銅層與纖維結(jié)合較好。 123456


3 結(jié)語(yǔ)

(1)碳纖維表面去膠可以采用丙酮或硝酸，純丙酮去膠效果最好，也可以采用高溫灼燒，但溫度不宜超過(guò)400℃。
(2)化學(xué)鍍銅后碳纖維直徑有所增加、電阻有所下降。
(3)采用化學(xué)鍍的方法碳纖維表面可以得到均勻、結(jié)合力較好的鍍銅層。直接電鍍所得到的銅鍍層很不均勻，纖維束外部的纖維鍍層很厚，但內(nèi)部的碳纖維由于屏蔽效應(yīng)鍍得很不均勻甚至鍍不上。

參 考 文 獻(xiàn)
[1] 吳利英. 高建軍. 靳武剛．金屬基復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用[J]．化工新型材料，2002，30(10)：32～35

季 濤 史蕾蕾 練敏芳 （南通大學(xué)，江蘇南通，226007）