[发明专利]一种在大丝束碳纤维表面进行电沉积的技术工艺

说明书

技术领域

本发明属于表面修饰技术领域，具体的是涉及一种在大丝束碳纤维表面进行电沉积的技术工艺，具体说是一种连续大丝束（24k及以上）碳纤维表面电沉积过渡金属的方法。 

背景技术

碳纤维由于具有一系列优异性能，如高的比强度和比弹性模量，优良的导电和导热性能等而引起人们的广泛关注，已成为现代复合材料的主要增强材料。实践证明，只有当碳纤维与金属基材具有良好的界面结合时，碳纤维增强金属基体复合材料才能具有高的强度和模量，以及优异的疲劳性能。但实际上，碳纤维与大多数金属的界面相容性不佳。为了改善碳纤维与基体（包括树脂基、金属基和陶瓷基）的界面相容性，抑制有害的界面反应，常常需要对碳纤维表面进行涂覆处理，如涂敷金属、陶瓷和有机物等，其中在碳纤维表面涂敷金属（又称为碳纤维的金属化）备受重视。这是由于金属化的碳纤维不仅可以改善与金属基体材料的界面相容性，提高金属基材的耐高温性能，而且金属化的碳纤维还可用于增强聚合物，制作具有隐身性能的军用飞机的骨架和蒙皮，并在小型大容量电容器、磁性薄膜、电子设备的电磁屏蔽材料等方面都具有较广泛的用途。碳纤维表面涂覆金属的方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电镀等。其中，物理气相沉积和化学气相沉积所需设备昂贵，镀层质量有待提高。化学镀需要经过活化、敏化等步骤，工艺过程复杂，消耗大量药品，涂层厚度不够。实践证明，从工业化生产角度出发，由于电沉积可以实现自动化生产，通过合适的后处理可以达到零排放，因此，电沉积是碳纤维金属化最佳的选择。 

   需要指出的是，碳纤维虽然具有一定的导电性，但其电阻值远远高于金属。更为重要的是，由于每束碳纤维包含数千根至几十万根直径为6～8微米的碳纤维单丝，碳纤维束呈聚集态，且纤维的表面积很大，远远大于一般的金属零件，因此，当采用普通镀液配方对碳纤维进行电沉积时，纤维束进入水溶液后，难以完全分散，对电力线构成屏蔽，使得在电沉积过程中金属不能镀覆到纤维束内部纤维的表面，因此，电沉积后碳纤维束外部单丝的表面呈现金属的光泽，而内部纤维因无金属层而保持碳纤维的黑色，因此，形象的称之为“黑心”或“结饼”。因此，碳纤维的电沉积不能照搬传统金属的电沉积镀液、工艺和装置。针对上述特点，本发明者设计了一套特殊的碳纤维连续电镀装置，研制了适于连续碳纤维的电镀液、装置与工艺，并在1989年的硕士学位论文中（碳／铜复合材料的制备及其界面结合特性的研究）公开了碳纤维连续电沉积铜、镍和铁等过渡族金属的技术细节，随后在题为“电沉积法制备金属基复合材料的发展动态”（材料导报，1997年第1期）的文章中公开了碳纤维连续电沉积金属的装置示意图，并对碳纤维电沉积的技术要点进行了概述。中国专利94110865.1（碳纤维均匀镀铜工艺）也公开了一种在碳纤维表面电镀铜的方法，中国专利200810032221.1（碳纤维表面锌涂层的制备方法）公开了碳纤维电镀锌的技术方法。最近，本发明申请人公开了一种在碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置和方法（请见专利200810052667.0 -碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置和方法）。国外也有类似的专利报道，如韩国专利KR20030049703(A)-Method of preparingnickel—plated carbon fiber by electroplating描述的是碳纤维电沉积镍的技术；日本专利JP2005097776(A)-Method for producing metal-coated carbon fiber、JP3019966(A)-Methodfor electroplating carbon fiber、JP60238498(A)-Electroplating method of bundled carbon fiber等也公开了类似的技术。此外，在一些国内外发表的文献中也公开了碳纤维表面电沉积金属的技术。然而，至今所公开的技术所涉及的都是小丝束碳纤维（如lk-即每个丝束含1000根碳纤维单丝、3k和6k）的电沉积工艺，而大丝束碳纤维表面电沉积金属的技术至今没有公开报道。由于小丝束碳纤维价格较高，而大丝束碳纤维的价格则普遍比较便宜。近期的研究表明，在强度性能上，大丝束与小丝束碳纤维复合材料大体相当，在模量方面，大丝束碳纤维复合材料略低于小丝束碳纤维复合材料。因此，在功能件和一般结构件（如建筑、汽车、运动器材、能源（风机叶片）和通用航空领域等）完全可以使用大丝束碳纤维，因其成本优势非常明显。因此，大丝束碳纤维的电沉积具有越来越重要的技术与经济意义。然而，与小丝束碳纤维不同的是，24k及以上的大丝束碳纤维至少含单丝24 000根，纤维束的外形尺寸大，外部纤维对内部纤维电力线的屏蔽作用大，此外，纤维表面积巨大，纤维的分散难度更大，而且碳纤维的断头更多，尖端效应更明显。因此，小丝束碳纤维的电沉积技术不再适用于大丝束碳纤维，必须采用特殊的技术方法对24k及以上的大丝束碳纤维进行过渡族金属的电沉积。