碳纤维(CF)表面改性及CF-Cu(Cr)复合材料的制备与性能

摘要

碳纤维具有高强度、高模量、密度小、自润滑、可导电等诸多优点，是金属基复合材料理想的增强体。为了扩展碳纤维在金属基复合材料中的应用，本文采用粉末冶金方法制备了长碳纤维增强铜(铬)基复合材料，分析碳纤维在铜(铬)基体中的增强效果，并解决碳纤维在基体中的分散性以及界面结合等问题。
　　选取鑫丰碳纤维公司生产的1K、3K碳纤维进行性能测试，并与国内碳纤维的性能对比分析，讨论碳纤维表面电镀铜前后力学和电学性能的变化；采用焦磷酸盐电镀铜的方法对碳纤维表面进行镀覆处理，并运用电化学工作站测定了镀液阴极极化曲线，对镀液配方进行优化及分析电镀工艺参数对镀层质量的影响；采用粉末冶金的方法制备长碳纤维增强铜(铬)基复合材料，讨论制备工艺、成分及碳纤维表面镀铜处理对组织性能的影响。
　　本文结果如下：
　　(1)1K、3K表面带胶碳纤维的抗拉强度、断裂伸长率及电阻率大于不带胶碳纤维，而带水溶胶碳纤维的抗拉强度、断裂伸长率及电阻率与带树脂胶碳纤维的基本相同；碳纤维抗拉强度为3118.4MPa-3880.5MPa，拉伸模量为195.3GPa-213.5GPa，断裂伸长率为1.55%-2.01%，电阻率为1.8015×10-5Ω·m-2.3345×10-5Ω·m；经碳纤维表面镀铜处理后，导电性提高了约150倍，抗拉强度和断裂伸长率有所降低。
　　(2)对镀液阴极极化曲线分析发现，向P=7(焦磷酸铜50 g/L，焦磷酸钾270g/L)的镀液中加入20g/L的柠檬酸铵，低电流密度区极化增大，有利于镀层质量的提高。优化后的镀液配方：焦磷酸铜50 g/L，焦磷酸钾270 g/L，柠檬酸铵20g/L的，在T=40℃，PH=8.2-8.8，I=0.6 A条件下电镀铜工艺稳定，可以获得结晶细致、光亮、界面结合力良好的碳纤维表面镀铜层。电镀时间对晶体结构和晶粒大小影响不大，可通过控制走丝速度来控制镀层厚度。
　　(3)采用粉末冶金方法制备了长纤维增强铜(铬)基复合材料，初压、初烧后复合材料相对密度在88.13%以上，复压复烧可进一步提高相对密度，最大达到94.91%。基体中加入Cr，有利于提高复合材料的硬度和抗拉强度，但电阻率略有增加；随碳纤维体积含量的增加，复合材料的抗拉强度明显增大，但电阻率也有所增加；同时，碳纤维表面镀铜处理能够增加界面结合强度，有利于抗拉强度的提高和电阻率的降低。

目录

文摘

英文文摘

致谢

插图清单

表格清单

第一章 绪论

1.1 碳纤维的发展状况

1.1.1 国外碳纤维的发展

1.1.2 碳纤维的性质

1.1.3 我国碳纤维的发展

1.2 碳纤维表面处理方法

1.3 纤维增强金属基复合材料

1.3.1 纤维增强复合材料的发展

1.3.2 纤维增强金属基复合材料的增强机理

1.3.3 纤维增强金属基复合材料的界面

1.3.4 纤维增强金属基复合材料的制造工艺

1.4 碳纤维-铜基复合材料

1.4.1 碳纤维-铜基复合材料的发展

1.4.2 碳纤维-铜基复合材料的性能

1.4.3 碳纤维-铜基复合材料的发展趋势

1.5 本论文研究的主要内容

第二章 碳纤维性能测试与分析

2.1 实验原料

2.2 实验设备与方法

2.2.1 线密度、密度测试

2.2.2 力学性能测试

2.2.3 电学性能测试

2.3 数据分析与处理

2.3.1 密度和线密度

2.3.2 力学性能

2.3.3 导电性

2.4 本章小结

第三章 碳纤维表面连续镀铜工艺及性能

3.1 实验原料及设备

3.1.1 实验原料

3.1.2 试验设备与测试

3.2 实验原理及过程

3.2.1 焦磷酸盐镀铜原理

3.2.2 试验过程

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 P值的确定

3.3.2 添加剂对阴极极化的影响

3.3.3 工艺参数对镀层质量的影响

3.4 镀铜碳纤维性能测试

3.5 本章小结

第四章 长碳纤维-铜(铬)复合材料的制备

4.1 实验方法

4.1.1 粉末压制工艺

4.1.2 粉末烧结工艺

4.2 制备工艺对密度的影响

4.2.1 密度测试方法

4.2.2 工艺参数对密度的影响

4.3 本章小结

第五章 长碳纤维-铜(铬)复合材料的组织与性能

5.1 性能测试及方法

5.1.1 维氏硬度测试

5.1.2 力学性能测试

5.1.3 导电性能测试

5.1.4 显微组织分析

5.2 实验结果与讨论

5.2.1 显微组织形貌分析

5.2.2 导电性分析

5.2.3 力学性能分析

5.2.4 硬度分析

5.3 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研工作