短碳纖維表面金屬化及其銅基復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、減磨和耐磨性能以及較低的熱膨脹系數(shù),在航空航天、機(jī)械和電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備工藝一般采用粉末冶金法,由于碳纖維與銅粉間密度相差很大,球磨混合難以得到組織結(jié)構(gòu)均勻和性能優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。本文嘗試采用碳纖維表面金屬化新工藝預(yù)先制備短碳纖維/銅復(fù)合絲,后采用粉末冶金法制備短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。此外,對(duì)采用空氣氧化法進(jìn)行碳纖維表面改性處理時(shí),煅燒溫

2、度對(duì)表面含氧活性官能團(tuán)的影響進(jìn)行了分析,獲得了碳纖維表面含氧活性官能團(tuán)最多時(shí)的處理工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,從外加電壓和官能團(tuán)兩個(gè)角度出發(fā),探討了短碳纖維電鍍銅的沉積機(jī)理。碳纖維表面金屬化可采用化學(xué)鍍工藝。目前化學(xué)鍍銅多采用以甲醛為還原劑的配方體系,雖然這種方法較為成熟,但甲醛本身具有毒性。本論文嘗試采用以次磷酸鈉為還原劑的化學(xué)鍍銅工藝制備了界面結(jié)合良好、鍍銅層厚度均勻的短碳纖維/銅復(fù)合絲。對(duì)短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、

3、熱膨脹性以及纖維硬度進(jìn)行測(cè)試,得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：碳纖維體積含量為10.2%時(shí)復(fù)合材料導(dǎo)電性(沿纖維軸向)最好,可達(dá)純銅導(dǎo)電性的85%。分別在30oC和200oC下測(cè)量復(fù)合材料的導(dǎo)熱率(沿纖維軸向),測(cè)得當(dāng)短碳纖維體積含量為10.2%時(shí),復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能最好,對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為47.9 W/m K、67.9 W/m K。復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨著短碳纖維含量的增加而減小,當(dāng)溫度變化區(qū)間為30oC-100oC時(shí),30%含量的碳纖維/銅復(fù)合

4、材料的熱膨脹系數(shù)最小,為13.9×10-6/K；當(dāng)溫度變化區(qū)間為30oC-200oC,最小的熱膨脹系數(shù)為15.2×10-6/K。當(dāng)纖維體積含量為30%時(shí),短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的顯微硬度為121HV。未經(jīng)過改性處理的碳纖維表面惰性大、表面能低,缺乏有化學(xué)活性的官能團(tuán),因而與基體材料進(jìn)行復(fù)合時(shí),常因界面結(jié)合不好而影響復(fù)合材料性能的發(fā)揮。無(wú)論采用化學(xué)鍍還是電鍍法制備短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料時(shí),我們希望在碳纖維表面含氧活性官能團(tuán)最多時(shí)進(jìn)行表

5、面金屬化工藝。工業(yè)中常使用電化學(xué)氧化法將活性含氧基團(tuán)引入碳纖維表面,但這種方法的后續(xù)處理工作十分繁瑣,因此本文采用空氣氧化法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行氧化處理。將經(jīng)過不同煅燒溫度對(duì)碳纖維進(jìn)行1小時(shí)煅燒處理后的碳纖維進(jìn)行XPS、FTIR等檢測(cè),得出以下結(jié)論：經(jīng)400 oC煅燒1小時(shí)處理后,在保持碳纖維原有狀態(tài)的基礎(chǔ)上,碳纖維表面含氧活性基團(tuán)-OH和C=O最多。論文對(duì)比分析了電壓及表面活性官能團(tuán)對(duì)電鍍銅形貌的影響,嘗試探討了在短碳纖維表面電鍍銅的沉積