碳纤维表面金属化及沉积动力学研究

摘要

碳纤维由于其具有高比强度、高比模量、密度小、耐高温、耐辐射、耐疲劳性好、导电导热性良好、热膨胀系数小等优良性能被人们广泛关注，目前常作为增强相与树脂、金属、陶瓷、混泥土等材料构成复合材料使用。金属基碳纤维复合材料不仅继承了碳纤维的高比强度、高比模量和良好的韧性等优良性能，又能保持基体金属的特性，已经成为近年来研究的热点，在航空航天、生物材料和民用工业领域也具有广阔的应用前景。但碳纤维与许多金属基体的润湿性很差，当复合材料承受一定载荷时，容易造成碳纤维剥落和脱离。因此如何提高碳纤维与基体金属之间的结合力就是制备金属基碳纤维复合材料的关键。
　　本课题采用电镀法对碳纤维表面电镀镍、铜和镍-铜镀层，采用正交试验法和单因素实验确定三种镀层的最佳工艺条件。通过热力学和动力学的角度分析各个镀层的形成及反应机理。
　　主要研究结果如下：
　　（1）碳纤维表面电镀镍的最佳工艺是：硫酸镍200 g/L，氯化镍60 g/L，硼酸40 g/L，十二烷基硫酸钠0.1 g/L；电流密度0.56 A/dm2，电镀时间6min，温度为50℃。电镀时间对碳纤维的增重率影响最大，其次是电流密度，然后是硼酸浓度，最后是硫酸镍浓度。镀液温度的变化会造成镀层形貌的改变，但对镀层厚度的影响不显著。镀层的厚度是与电流密度及电镀时间呈线性关系，当电流密度及电镀时间不断增加，镀层厚度也逐渐增加；当电流密度逐渐增大，镀层表面出现胞状组织，粗糙程度逐渐增大。碳纤维表面镀镍过程中 Ni2+浓度和硼酸浓度的反应级数分别为 a=-0.0886、b=0.0304，反应激活能Ea=4023.31 J/mol。
　　（2）碳纤维表面电镀铜的最佳工艺是：硫酸铜200 g/L，硫酸60 g/L，硝酸钾30 g/L，光亮剂0.1 g/L；电压2.5V，电镀时间7min。电镀时间对碳纤维的增重率影响最大，其次是电压，然后是硫酸铜浓度，最后是硫酸浓度。碳纤维表面电镀铜过程中Cu2+浓度和H+浓度的反应级数分别为a=0.4609、b=-0.1935，反应激活能为Ea=5545.44 J/mol。
　　（3）在碳纤维表面先镀镍再镀铜所得的镀层表面较光滑、平整，镀层厚度均匀，当镍镀层小于1.56μm时，镀层结合力符合要求，是理想的镀层。随着镍层厚度的增加，铜层的沉积速率也随之增加。

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第一章 绪论

1.1 碳纤维简介

1.2 碳纤维表面改性的研究现状

1.3 碳纤维表面金属化的研究现状

1.4 论文的研究背景、目的和主要内容

第二章 试验材料及方法

2.1 技术路线

2.2 实验材料及试剂

2.3 实验方法和测试方法

第三章 碳纤维表面电镀镍工艺的研究

3.1 电镀镍正交实验

3.2 各工艺条件的影响

3.3 添加剂的影响

3.4 镀镍碳纤维结合力检测

3.5 电镀镍热力学分析

3.6 电镀镍动力学分析

3.7 小结

第四章 碳纤维表面电镀铜工艺的研究

4.1 电镀铜正交实验

4.2 各试验因素的影响

4.3 镀铜碳纤维结合力检测

4.4 电镀铜热力学分析

4.5 电镀铜动力学分析

4.6 小结

第五章 碳纤维表面电镀镍-铜工艺的研究

5.1 电镀复合镀镍-铜镀层表征

5.2 镍层厚度对铜层电沉积速率的影响

5.3 镍层对铜层形貌的影响

5.4 镍层对铜层电沉积稳定性的影响

5.5 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果