碳纤维表面化学镀镍工艺研究

任春兰，张云鹏

（西安理工大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710048）

【化学镀】

碳纤维表面化学镀镍工艺研究

任春兰，张云鹏*

（西安理工大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710048）

介绍了碳纤维表面化学镀镍的工艺流程，前处理主要包括丙酮清洗、粗化、敏化/活化、还原和分散。观察了碳纤维的表面形貌，测试了镀层的结合力。结果表明，预处理对镀层质量而言非常关键。本工艺得到的镀层均匀、完整，结合力良好。

碳纤维；化学镀镍；结合力；预处理

1 前言

碳纤维具有抗拉强度和拉伸模量高、耐热性好等特点，是多种复合材料的增强相[1]。TZM 合金(即Mo–0.5Ti–0.08Zr–0.02C)是在钼中加入一定量的 Ti和Zr而形成的一种合金，是钼基合金中常用的一种高温合金。TZM合金具有熔点高、强度大、弹性模量高、线膨胀系数小、蒸气压低、导电导热性好、抗蚀性强以及高温力学性能好等特点，因而在很多领域得到广泛应用[2]。如果将碳纤维与TZM合金复合，形成碳纤维增强TZM合金基复合材料(Cf/TZM)并用于制作钼粉生产线上的料舟，其性能将更为优异。但是碳在金属钼中有一定的固溶度，微细碳纤维表面会与钼粉发生界面反应，生成 Mo2C等化合物而受到损伤，进而影响复合材料的力学性能，因此通常需要在碳纤维表面施加一层扩散阻挡层[3]。由于碳在镍中不溶解，也不存在稳定的C–Ni化合物，因此Ni被广泛用作碳纤维表面防护层材料[4]。

纤维表面金属化大致分为物理方法和化学方法。物理方法包括溅射法、离子镀膜法、金属粉末喷涂和金属涂覆等；化学法主要包括化学镀和电镀。其中化学镀具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、废液排放少、对环境污染小以及成本较低等优点，日益受到人们的关注。本文采用化学镀方法进行碳纤维表面镀镍的金属化研究。

2 实验

2. 1 碳纤维镀前预处理

碳纤维与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象，因此在施镀前必须采用适宜的预处理。首先以丙酮除去纤维的表层胶膜，再经粗化、敏化与活化、还原、分散预处理后，浸到化学镀液中镀镍。粗化的目的是增加碳纤维的比表面积，改变表面官能团状态；敏化、活化使碳纤维表面吸附一层贵金属(如银)的颗粒，使碳纤维在化学镀的过程中具有催化活性；还原处理将残留在碳纤维表面多余的硝酸银还原；分散处理使碳纤维的团聚现象尽可能消失，得到均匀完整的镀层[5-7]。

2. 1. 1 粗化处理

对除胶后的纤维进行粗化处理，以增大碳纤维的比表面积。采用硝酸腐蚀的方法，将除胶后的碳纤维放入硝酸水溶液(w = 60%)中浸泡30 min左右，然后取出，用蒸馏水清洗，再用酒精清洗干燥。

2. 1. 2 分散处理

由于范德华力和静电作用，碳纤维会产生严重的团聚和缠结，这使镀层既不均匀也不完整。因此，须使纤维实现良好的分散。采用添加分散介质、分散剂，再结合超声振动搅拌的方法进行分散[8]。方法如下：在处理好的碳纤维中加入1 g聚乙二醇、50 mL正丁醇，利用超声波清洗器进行超声波分散，同时加以搅拌，分散20 min，使碳纤维的团聚现象尽可能地消失。用蒸馏水洗净后再用吹风机吹干。

2. 2 化学镀镍

化学镀镍[9]是在无直流电源条件下，用化学还原方法使镍阳离子还原成金属镍并沉积在催化金属表面上。

2. 2. 1 化学镀液的配制

先将硫酸镍溶解在蒸馏水中，然后加入乳酸，边加边搅拌，得到硫酸镍–乳酸溶液。再将次磷酸钠溶于蒸馏水中，待完全溶解后加入丙二酸搅拌，然后将硫酸镍–乳酸溶液缓缓注入该溶液中，加蒸馏水使溶液总体积达到1 L，调节镀液的pH在4 ～ 5之间。

2. 2. 2 碳纤维化学镀镍

将经过预处理的碳纤维放入配制好的化学镀液中，浸泡1 h后取出，用蒸馏水洗净后用吹风机吹干。

2. 3 测试与表征

用扫描电镜(SEM)对碳纤维镀镍层形貌进行观察，测量镀层厚度；用X射线光电子能谱仪(XPS)分析镀层成分；用冷热循环法测定镀层结合力。

3 结果与讨论

3. 1 粗化后碳纤维的表面形貌

将经过粗化处理的碳纤维置于扫描电子显微镜下进行观察，结果见图1。

图1 碳纤维表面的扫描电镜图Figure 1 SEM images of carbon fiber surface

由图 1可以看出，粗化前碳纤维表面比较光滑，沟槽很少或者基本上没有；经过硝酸氧化刻蚀后，其表面产生明显的轴向沟槽。碳纤维经过表面粗化处理后，不仅较大幅度地增加了其表面的含氧基团，而且由于纤维表面被刻蚀，在结晶缺陷部位产生凹坑，增加了其比表面积，为后续的化学镀提供了条件。

3. 2 镀层物相及含量

由如图2所示的XPS分析可知，镀层为完全非晶态Ni–P合金。

图2 碳纤维表面Ni–P镀层X射线光电子能谱图Figure 2 X-ray photoelectron spectra of Ni–P coating on carbon fiber surface

3. 3 表面金属化后碳纤维的形貌

采用化学镀在石墨纤维表面沉积Ni–P后的形貌如图3所示。其中a、b、c是未经分散的碳纤维化学镀镍后的表面形貌，镀层不均匀、不完整；d、e、f是经过分散的碳纤维照片，镀层均匀、完整，无漏镀现象。在较高的放大倍数(图3b和3e)下，可以观察到化学镀镍层微观上由胞状组织构成。由纤维断口(见图d)可测出镀层厚度约为450 nm。

图3 化学镀镍后碳纤维表面的扫描电镜图Figure 3 SEM images of carbon fiber surface after electroless nickel plating

3. 4 镀层的结合力

镀层结合力的测试采用冷热循环法[10]，将镀镍碳纤维样品于100 °C的水中煮沸25 min，然后在0 ～ 5 °C的冰水中放置5 min后取出，重复3次。

测试前后纤维质量无变化，且实验后观察到盛放纤维的烧杯内仍呈无色，没有杂质，说明镀层无明显脱落现象。

4 结论

(1) 为了得到质量良好的镀层，碳纤维预处理非常关键，而且必须进行分散处理，使束状碳纤维分散开来，保证镀层的均匀性和完整性。

(2) 得到的镀层均匀、完整，厚度约为450 nm，结合力良好。

[1] 贺福. 碳纤维及其应用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004.

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[ 编辑：吴杰 ]

Study on process of electroless nickel plating on carbon fiber surface //

REN Chun-lan, ZHANG Yun-peng*

The process flow of electroless nickel plating on surface of carbon fiber was introduced. The pretreatment includes acetone cleaning, roughening, sensitizing/activating, reducing, and dispersing. The surface morphology of carbon fiber was observed and the adhesion strength of coating was tested. The results showed that the pretreatment is very important to the coating quality. The coating obtained by this process is uniform and integral, and has good adhesion.

carbon fiber; electroless nickel plating; adhesion strength; pretreatment

Institute of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China

TQ153

A

1004 – 227X (2010) 02 – 0019 – 03

2009–06–08

2009–07–13

陕西科学技术发展计划项目（2008K06-07）；西安市工业应用技术研发项目（CXY08001(3)）。

任春兰（1987–），女，宁夏人，本科，研究方向为碳纤维增强金属及复合材料。

作者联系方式：张云鹏，教授，(E-mail) ypzhang@xaut.edu.cn。