碳纖維表面化學(xué)鍍鎳工藝研究

任春蘭，張云鵬

（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

【化學(xué)鍍】

碳纖維表面化學(xué)鍍鎳工藝研究

任春蘭，張云鵬*

（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

介紹了碳纖維表面化學(xué)鍍鎳的工藝流程，前處理主要包括丙酮清洗、粗化、敏化/活化、還原和分散。觀察了碳纖維的表面形貌，測試了鍍層的結(jié)合力。結(jié)果表明，預(yù)處理對鍍層質(zhì)量而言非常關(guān)鍵。本工藝得到的鍍層均勻、完整，結(jié)合力良好。

碳纖維；化學(xué)鍍鎳；結(jié)合力；預(yù)處理

1 前言

碳纖維具有抗拉強度和拉伸模量高、耐熱性好等特點，是多種復(fù)合材料的增強相[1]。TZM 合金(即Mo–0.5Ti–0.08Zr–0.02C)是在鉬中加入一定量的 Ti和Zr而形成的一種合金，是鉬基合金中常用的一種高溫合金。TZM合金具有熔點高、強度大、彈性模量高、線膨脹系數(shù)小、蒸氣壓低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗蝕性強以及高溫力學(xué)性能好等特點，因而在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。如果將碳纖維與TZM合金復(fù)合，形成碳纖維增強TZM合金基復(fù)合材料(Cf/TZM)并用于制作鉬粉生產(chǎn)線上的料舟，其性能將更為優(yōu)異。但是碳在金屬鉬中有一定的固溶度，微細(xì)碳纖維表面會與鉬粉發(fā)生界面反應(yīng)，生成 Mo2C等化合物而受到損傷，進(jìn)而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，因此通常需要在碳纖維表面施加一層擴(kuò)散阻擋層[3]。由于碳在鎳中不溶解，也不存在穩(wěn)定的C–Ni化合物，因此Ni被廣泛用作碳纖維表面防護(hù)層材料[4]。

纖維表面金屬化大致分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法包括濺射法、離子鍍膜法、金屬粉末噴涂和金屬涂覆等；化學(xué)法主要包括化學(xué)鍍和電鍍。其中化學(xué)鍍具有鍍層均勻、針孔小、不需直流電源設(shè)備、廢液排放少、對環(huán)境污染小以及成本較低等優(yōu)點，日益受到人們的關(guān)注。本文采用化學(xué)鍍方法進(jìn)行碳纖維表面鍍鎳的金屬化研究。

2 實驗

2. 1 碳纖維鍍前預(yù)處理

碳纖維與金屬復(fù)合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，因此在施鍍前必須采用適宜的預(yù)處理。首先以丙酮除去纖維的表層膠膜，再經(jīng)粗化、敏化與活化、還原、分散預(yù)處理后，浸到化學(xué)鍍液中鍍鎳。粗化的目的是增加碳纖維的比表面積，改變表面官能團(tuán)狀態(tài)；敏化、活化使碳纖維表面吸附一層貴金屬(如銀)的顆粒，使碳纖維在化學(xué)鍍的過程中具有催化活性；還原處理將殘留在碳纖維表面多余的硝酸銀還原；分散處理使碳纖維的團(tuán)聚現(xiàn)象盡可能消失，得到均勻完整的鍍層[5-7]。

2. 1. 1 粗化處理

對除膠后的纖維進(jìn)行粗化處理，以增大碳纖維的比表面積。采用硝酸腐蝕的方法，將除膠后的碳纖維放入硝酸水溶液(w = 60%)中浸泡30 min左右，然后取出，用蒸餾水清洗，再用酒精清洗干燥。

2. 1. 2 分散處理

由于范德華力和靜電作用，碳纖維會產(chǎn)生嚴(yán)重的團(tuán)聚和纏結(jié)，這使鍍層既不均勻也不完整。因此，須使纖維實現(xiàn)良好的分散。采用添加分散介質(zhì)、分散劑，再結(jié)合超聲振動攪拌的方法進(jìn)行分散[8]。方法如下：在處理好的碳纖維中加入1 g聚乙二醇、50 mL正丁醇，利用超聲波清洗器進(jìn)行超聲波分散，同時加以攪拌，分散20 min，使碳纖維的團(tuán)聚現(xiàn)象盡可能地消失。用蒸餾水洗凈后再用吹風(fēng)機(jī)吹干。

2. 2 化學(xué)鍍鎳

化學(xué)鍍鎳[9]是在無直流電源條件下，用化學(xué)還原方法使鎳陽離子還原成金屬鎳并沉積在催化金屬表面上。

2. 2. 1 化學(xué)鍍液的配制

先將硫酸鎳溶解在蒸餾水中，然后加入乳酸，邊加邊攪拌，得到硫酸鎳–乳酸溶液。再將次磷酸鈉溶于蒸餾水中，待完全溶解后加入丙二酸攪拌，然后將硫酸鎳–乳酸溶液緩緩注入該溶液中，加蒸餾水使溶液總體積達(dá)到1 L，調(diào)節(jié)鍍液的pH在4 ～ 5之間。

2. 2. 2 碳纖維化學(xué)鍍鎳

將經(jīng)過預(yù)處理的碳纖維放入配制好的化學(xué)鍍液中，浸泡1 h后取出，用蒸餾水洗凈后用吹風(fēng)機(jī)吹干。

2. 3 測試與表征

用掃描電鏡(SEM)對碳纖維鍍鎳層形貌進(jìn)行觀察，測量鍍層厚度；用X射線光電子能譜儀(XPS)分析鍍層成分；用冷熱循環(huán)法測定鍍層結(jié)合力。

3 結(jié)果與討論

3. 1 粗化后碳纖維的表面形貌

將經(jīng)過粗化處理的碳纖維置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖1。

圖1 碳纖維表面的掃描電鏡圖Figure 1 SEM images of carbon fiber surface

由圖 1可以看出，粗化前碳纖維表面比較光滑，溝槽很少或者基本上沒有；經(jīng)過硝酸氧化刻蝕后，其表面產(chǎn)生明顯的軸向溝槽。碳纖維經(jīng)過表面粗化處理后，不僅較大幅度地增加了其表面的含氧基團(tuán)，而且由于纖維表面被刻蝕，在結(jié)晶缺陷部位產(chǎn)生凹坑，增加了其比表面積，為后續(xù)的化學(xué)鍍提供了條件。

3. 2 鍍層物相及含量

由如圖2所示的XPS分析可知，鍍層為完全非晶態(tài)Ni–P合金。

圖2 碳纖維表面Ni–P鍍層X射線光電子能譜圖Figure 2 X-ray photoelectron spectra of Ni–P coating on carbon fiber surface

3. 3 表面金屬化后碳纖維的形貌

采用化學(xué)鍍在石墨纖維表面沉積Ni–P后的形貌如圖3所示。其中a、b、c是未經(jīng)分散的碳纖維化學(xué)鍍鎳后的表面形貌，鍍層不均勻、不完整；d、e、f是經(jīng)過分散的碳纖維照片，鍍層均勻、完整，無漏鍍現(xiàn)象。在較高的放大倍數(shù)(圖3b和3e)下，可以觀察到化學(xué)鍍鎳層微觀上由胞狀組織構(gòu)成。由纖維斷口(見圖d)可測出鍍層厚度約為450 nm。

圖3 化學(xué)鍍鎳后碳纖維表面的掃描電鏡圖Figure 3 SEM images of carbon fiber surface after electroless nickel plating

3. 4 鍍層的結(jié)合力

鍍層結(jié)合力的測試采用冷熱循環(huán)法[10]，將鍍鎳碳纖維樣品于100 °C的水中煮沸25 min，然后在0 ～ 5 °C的冰水中放置5 min后取出，重復(fù)3次。

測試前后纖維質(zhì)量無變化，且實驗后觀察到盛放纖維的燒杯內(nèi)仍呈無色，沒有雜質(zhì)，說明鍍層無明顯脫落現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1) 為了得到質(zhì)量良好的鍍層，碳纖維預(yù)處理非常關(guān)鍵，而且必須進(jìn)行分散處理，使束狀碳纖維分散開來，保證鍍層的均勻性和完整性。

(2) 得到的鍍層均勻、完整，厚度約為450 nm，結(jié)合力良好。

[1] 賀福. 碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[2] 吳新光, 杜曉斌. TZM合金及其特性[J]. 中國鉬業(yè), 2005, 29 (5): 30-31.

[3] 費敬銀. 使用可溶性陽極的鎳鐵合金刷鍍工藝[J]. 電鍍與涂飾, 1996, 15 (1): 40-42.

[4] 張玉峰. 可溶性陽極快速刷鍍Ni–P合金鍍層結(jié)構(gòu)及性能研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2003, 25 (12): 63-64.

[5] 中野博昭, 大上悟, 河野俊輔, 等. Fe–Ni合金の変則型電析機(jī)構(gòu)の検討[J]. 表面技術(shù), 2004, 55 (6): 428-433.

[6] 徐金城, 李曉龍, 夏龍, 等. 短碳纖維增強銅基復(fù)合材料的制備及其性能的研究[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004, 40 (4): 28-32.

[7] 韓變?nèi)A, 羅天驕, 姚廣春, 等. 碳纖維鍍鎳[J]. 有色礦冶, 2006, 22 (4): 37-40.

[8] 繆世群, 佘正國, 葛存旺. SiC晶須的分散與涂覆工藝的研究[J]. 江蘇理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2000, 21 (2): 52-56.

[9] 閆洪. 現(xiàn)代化學(xué)鍍鎳和復(fù)合鍍新技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2001.

[10] 武學(xué)高. 塑料電鍍技術(shù)[M]. 成都: 四川科技出版社, 1983.

[ 編輯：吳杰 ]

Study on process of electroless nickel plating on carbon fiber surface //

REN Chun-lan, ZHANG Yun-peng*

The process flow of electroless nickel plating on surface of carbon fiber was introduced. The pretreatment includes acetone cleaning, roughening, sensitizing/activating, reducing, and dispersing. The surface morphology of carbon fiber was observed and the adhesion strength of coating was tested. The results showed that the pretreatment is very important to the coating quality. The coating obtained by this process is uniform and integral, and has good adhesion.

carbon fiber; electroless nickel plating; adhesion strength; pretreatment

Institute of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China

TQ153

A

1004 – 227X (2010) 02 – 0019 – 03

2009–06–08

2009–07–13

陜西科學(xué)技術(shù)發(fā)展計劃項目（2008K06-07）；西安市工業(yè)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)項目（CXY08001(3)）。

任春蘭（1987–），女，寧夏人，本科，研究方向為碳纖維增強金屬及復(fù)合材料。

作者聯(lián)系方式：張云鵬，教授，(E-mail) ypzhang@xaut.edu.cn。