短碳纖維表面處理新工藝及其在鋁基、銅基復合材料中的應用研究.pdf

1、碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、導電、導熱、低膨脹和自潤滑等優(yōu)異的綜合性能，是一種應用非常廣泛的復合材料增強體。與連續(xù)碳纖維相比，短碳纖維具有價格低廉、相應的復合材料性能各向同性及制備工藝簡單等優(yōu)點，使短碳纖維復合材料的研究備受關注。短碳纖維增強金屬基復合材料在航天航空、電子工業(yè)等領域具有十分廣闊的應用前景，尤其是增強鋁基、銅基、鎂基、鎳基復合材料等。但碳纖維與許多金屬在高溫下發(fā)生有害的化學反應和它們之間的潤濕性差等，嚴重

2、限制了短碳纖維/金屬復合材料中的應用發(fā)展。 對碳纖維進行表面涂層處理是改善其界面的有效途徑，國內外已有很多的研究報道，但對短碳纖維來說，一般的涂層工藝如氣相沉積、化學鍍等工藝成本高、繁瑣復雜。因此開發(fā)一種工藝簡單，且易于控制的短碳纖維表面涂層新方法顯得尤為重要。本論文工作以研究短碳纖維的表面處理新工藝為目標，對短碳纖維的非金屬涂層的制備、金屬化新工藝等進行了有益的開發(fā)研究；將得到的涂層短碳纖維應用到金屬基(鋁基、銅基等)復合材料

3、中，探討了涂層對鋁與碳纖維界面的影響，研究了短碳纖維及混雜增強鋁基復合材料、短碳纖維增強銅基復合材料的制備和性能等。主要研究內容及結論如下： 研究了硝酸鹽法制備氧化鋁涂層的工藝，即利用硝酸鋁和氨水作為反應物，控制水解和熱處理工藝在短碳纖維表面獲得a-Al<,2>O<,3>涂層。結果表明，最佳溶膠-凝膠制備工藝參數為：水解溫度為90℃，用0.025mol/L的HNO<,3>作為膠溶劑，干燥溫度為50℃。熱處理的升降溫速度1℃/mi

4、n即從室溫到1100℃再降到400℃，分別在200、700、1100℃時各保溫2h，降到400℃之后隨爐冷卻。對氧化鋁凝膠的相變過程研究發(fā)現，700℃左右γ-Al<,2>O<,3>生成；800℃開始有γ-Al<,2>O<,3>晶型向α-Al<,2>O<,3>的轉變；1000℃左右完全轉變?yōu)閍-Al<,2>O<,3>。本實驗得到的氧化鋁涂層厚度為200nm左右。 在傳統電鍍工藝基礎上，根據短碳纖維自身的特點，如具有導電性、易于相互

5、纏繞搭接等，研究開發(fā)了短碳纖維金屬化新工藝，結果表明該工藝簡單實用，鍍層均勻、可控，且適用于各種常見的電鍍金屬工藝，得到的電鍍沉積物呈疏松多孔狀結構或平面網狀結構。在疏松多孔狀沉積物電鍍工藝(LPE)中，電鍍鎳時，電流密度的范圍為2.0～4.5 A/dm<'2>之間，鍍層厚度2.5～16μm之間可控；電鍍銅時，電流密度的適用范圍為1.0～4.5 A/dm<'2>，可以得到1.5～14μm的銅鍍層。在平面網狀沉積物電鍍工藝(PNE)中，在

6、電鍍鎳時，電流密度的范圍為：0.5～2.0A/dm<'2>之間，可以得到1.5～9μm之間均勻的鎳鍍層；電鍍銅時，電流密度的適用范圍為1.5～3.0A/dm<'2>，可以得到2～9μm左右的銅鍍層。在上述短碳纖維表面處理工藝研究的基礎上，重點研究了氧化鋁涂層短碳纖維增強鋁基復合材料的界面特征的影響，并對比了無涂層、鍍鎳、鍍銅等處理過的短碳纖維鋁基復合材料：研究發(fā)現：無涂層的短碳纖維/鋁復合材料界面有嚴重的界面反應，碳纖維表面生成Al<,

7、4>C<,3>；鍍鎳、鍍銅等金屬涂層提高了鋁與碳纖維的潤濕性，保護了短碳纖維，阻擋了鋁與短碳纖維間的界面反應，但鎳、銅等與鋁在界面或基體中分別生成有害的化合物，如Al<,3>Ni、CuAl<,2>等相，它們的生成導致了復合材料性能的下降；氧化鋁涂層復合材料中的界面干凈、結合良好，氧化鋁與纖維、與鋁均無反應發(fā)生，很好的保護了短碳纖維，復合材料表現出較好的力學性能。 將界面結合較好的氧化鋁涂層短碳纖維應用于鋁基復合材料中，用真空壓力

8、浸滲的方法制備了短碳纖維及混雜碳化硅顆粒增強鋁基復合材料。對其性能的研究發(fā)現，短碳纖維、碳化硅的加入，提高了材料的硬度，硬度值隨增強物含量的增加而增加，其中碳化硅對硬度的影響要大于短碳纖維。隨著短碳纖維、碳化硅含量的增加，復合材料的熱膨脹系數、導熱和導電性能有不同程度的下降。 采用屏顯式端面磨損試驗機系統研究了鋁基復合材料的干摩擦磨損性能。研究表明：短碳纖維的加入降低了鋁基復合材料的摩擦系數，提高了耐磨性能；隨短碳纖維含量的增加

9、，復合材料的摩擦系數、磨損率而降低；混雜鋁基復合材料具有很好的耐磨性能，隨碳化硅含量的增加，混雜復合材料的摩擦系數增加，而磨損率降低；載荷和轉速增加后，將提高短碳纖維及混雜增強鋁基復合材料的摩擦系數、磨損率等。在100N、100r/min時，當短碳纖維含量由0％增加到40％時，材料摩擦系數由0.6降低到0.27；當碳化硅含量從0％增加到15％時，混雜復合材料摩擦系數由0.27增加到13.83。在摩擦過程中，鋁合金主要發(fā)生粘著磨損和氧化磨

10、損，短碳纖維/鋁復合材料主要發(fā)生磨粒磨損，混雜復合材料主要是磨粒磨損和氧化磨損。 將LPE工藝得到的鍍銅短碳纖維直接冷壓燒結成型，獲得了短碳纖維分布均勻、無明顯缺陷的銅基復合材料。冷壓燒結的工藝參數為：壓制壓力400MPa，在氫氣氣氛下燒結，燒結時控制在7小時升溫至850℃，保溫3小時，4小時降至400℃后隨爐冷。并對銅基復合材料的性能進行了研究，結果表明：短碳纖維/銅復合材料的硬度、拉伸強度等隨短碳纖維含量的增加而增加，復合材

11、料的致密度卻隨含量的增加而下降。熱物性能的研究表明，復合材料具有較好的導電、導熱性能，可望應用于高導與耐磨領域，同時在電子封裝材料領域中也很有應用潛力。研究了銅基復合材料的干摩擦磨損性能。短碳纖維的加入降低了材料的摩擦系數，提高了耐磨性能。復合材料的摩擦系數和磨損率，隨短碳纖維含量的增加而降低。在100N、50r/min時，當短碳纖維含量從0％增加到23.2％時，材料的平均摩擦系數從0.38降低到0.12。載荷和轉速的增加，提高了銅基復

12、合材料的摩擦系數和磨損率。純銅的磨損機制主要以粘著磨損為主，并伴隨有氧化磨損；而復合材料主要是剝層磨損；當載荷和轉速增加時，復合材料發(fā)生了較嚴重的氧化磨損。在復合材料中，短碳纖維起到了強化基體和固體潤滑的作用，從而有利于降低摩擦系數和磨損量。在較高載荷和轉速下，碳纖維與銅之間的將發(fā)生脫粘，成為裂紋擴展通道，導致材料磨損量的提高。 本文開發(fā)了幾種短碳纖維表面處理新工藝，制備了涂層均勻、厚度可控的非金屬涂層及金屬氧化鋁涂層，考察了涂