碳纖維表面化學鍍鎳工藝研究

任春蘭，張云鵬

（西安理工大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710048）

【化學鍍】

碳纖維表面化學鍍鎳工藝研究

任春蘭，張云鵬*

（西安理工大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710048）

介紹了碳纖維表面化學鍍鎳的工藝流程，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，測試了鍍層的結合力。結果表明，預處理對鍍層質量而言非常關鍵。本工藝得到的鍍層均勻、完整，結合力良好。

碳纖維；化學鍍鎳；結合力；預處理

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、線膨脹系數小、蒸氣壓低、導電導熱性好、抗蝕性強以及高溫力學性能好等特點，因而在很多領域得到廣泛應用[2]。如果將碳纖維與TZM合金復合，形成碳纖維增強TZM合金基復合材料(Cf/TZM)并用于制作鉬粉生產線上的料舟，其性能將更為優異。但是碳在金屬鉬中有一定的固溶度，微細碳纖維表面會與鉬粉發生界面反應，生成 Mo2C等化合物而受到損傷，進而影響復合材料的力學性能，因此通常需要在碳纖維表面施加一層擴散阻擋層[3]。由于碳在鎳中不溶解，也不存在穩定的C–Ni化合物，因此Ni被廣泛用作碳纖維表面防護層材料[4]。

纖維表面金屬化大致分為物理方法和化學方法。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；化學法主要包括化學鍍和電鍍。其中化學鍍具有鍍層均勻、針孔小、不需直流電源設備、廢液排放少、對環境污染小以及成本較低等優點，日益受到人們的關注。本文采用化學鍍方法進行碳纖維表面鍍鎳的金屬化研究。

2 實驗

2. 1 碳纖維鍍前預處理

碳纖維與金屬復合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象，因此在施鍍前必須采用適宜的預處理。首先以丙酮除去纖維的表層膠膜，再經粗化、敏化與活化、還原、分散預處理后，浸到化學鍍液中鍍鎳。粗化的目的是增加碳纖維的比表面積，改變表面官能團狀態；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聚現象盡可能消失，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，碳纖維會產生嚴重的團聚和纏結，這使鍍層既不均勻也不完整。因此，須使纖維實現良好的分散。采用添加分散介質、分散劑，再結合超聲振動攪拌的方法進行分散[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行超聲波分散，同時加以攪拌，分散20 min，使碳纖維的團聚現象盡可能地消失。用蒸餾水洗凈后再用吹風機吹干。

2. 2 化學鍍鎳

化學鍍鎳[9]是在無直流電源條件下，用化學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到1 L，調節鍍液的pH在4 ～ 5之間。

2. 2. 2 碳纖維化學鍍鎳

將經過預處理的碳纖維放入配制好的化學鍍液中，浸泡1 h后取出，用蒸餾水洗凈后用吹風機吹干。

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；用冷熱循環法測定鍍層結合力。

3 結果與討論

3. 1 粗化后碳纖維的表面形貌

將經過粗化處理的碳纖維置于掃描電子顯微鏡下進行觀察，結果見圖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；經過硝酸氧化刻蝕后，其表面產生明顯的軸向溝槽。碳纖維經過表面粗化處理后，不僅較大幅度地增加了其表面的含氧基團，而且由于纖維表面被刻蝕，在結晶缺陷部位產生凹坑，增加了其比表面積，為后續的化學鍍提供了條件。

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是未經分散的碳纖維化學鍍鎳后的表面形貌，鍍層不均勻、不完整；d、e、f是經過分散的碳纖維照片，鍍層均勻、完整，無漏鍍現象。在較高的放大倍數(圖3b和3e)下，可以觀察到化學鍍鎳層微觀上由胞狀組織構成。由纖維斷口(見圖d)可測出鍍層厚度約為450 nm。

圖3 化學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 鍍層的結合力

鍍層結合力的測試采用冷熱循環法[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3次。

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

4 結論

(1) 為了得到質量良好的鍍層，碳纖維預處理非常關鍵，而且必須進行分散處理，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，結合力良好。

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[ 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

陜西科學技術發展計劃項目（2008K06-07）；西安市工業應用技術研發項目（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合材料。

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