螺旋碳纤维化学镀镍及其电磁参数研究

赵 璐，郭 永*，白云峰，赵建国，李 江

（1.山西大同大学应用化学研究所，山西大同 037009；2.山西大同大学化学与化工学院，山西大同 037009）

螺旋碳纤维化学镀镍及其电磁参数研究

赵 璐1，2，郭 永1，2*，白云峰2，赵建国2，李 江1，2

（1.山西大同大学应用化学研究所，山西大同 037009；2.山西大同大学化学与化工学院，山西大同 037009）

采用化学镀法，以联氨作为还原剂，在螺旋碳纤维表面沉积金属镍，获得一种新的复合功能材料。通过SEM和EDX能谱分析，碳纤维基体上包覆了一层致密均匀而且连续的纯金属镍层，没有引入其它杂质元素。通过对样品在2～18GHz范围内的电磁参数进行分析讨论，可知表面金属化一定程度上提高了样品的介电损耗，尤其在10～18GHz有较大增幅，最大达到了35.2左右，表面金属化对样品的电阻率产生了不可忽略的影响，并且在低频处复合材料的电磁损耗都较纯基体材料有较大提高。

螺旋碳纤维；化学镀；联氨；磁损耗

螺旋碳纤维自1953年被发现［1］以来，引起了各国科学家及研究人员的极大关注，近年来更是成为了碳材料研究的热点。螺旋碳纤维除具备普通直线状碳纤维的化学稳定性、耐热性、电热传导性、热膨胀性和密度低等优异性能外，还因其特殊的螺旋结构而具有典型的手性特征和良好的弹性，可作为新型的电磁波吸收剂和高性能增强复合材料应用于航天航空领域。我们通过化学镀的方法，采用联氨作为还原剂，在螺旋碳纤维表面包覆一层金属镀层，并研究金属镀层对其电磁参数的影响，同常见的含P、B镀镍配方相比，避免了杂质元素的引入对样品电磁性能的影响［2］。

1 实验

化学镀镍采用的镀液组成是硫酸镍（NiSO4·6H2O）40g/L，联氨（N2H4·H2O）40mL/L，柠檬酸钠88g/L，酒石酸钾钠12g/L，硫酸铵60g/L，CF粉的加载量为4g/L。镀液pH值为11，施镀温度为65℃，采用中速机械搅拌，反应时间为30min。本文中所使用的实验材料是通过化学气相沉积法制备的微米级双匝螺旋碳纤维（由华侨大学提供），直径约为1μm左右，螺距为0.3～0.5μm。

由于碳纤维属于非金属材料，不具有自催化特性，并且表面活化能很高，需要进行特殊的前处理才能进行化学镀［3-4］。实验中对螺旋碳纤维基体的预处理包括：①去油，将超声分散后的样品置于10％的NaOH溶液中常温搅拌0.5h后抽滤；②粗化，采用常用的硝酸粗化法［5］将去油后的样品在室温下用10％的硝酸溶液进行常温搅拌氧化处理3h；③活化，实验中采用以10％的银氨溶液作为活化液，通过直接浸置法对粗化后的样品进行活化。每个过程都需要对样品进行超声分散和洗涤抽滤，并烘干备用。将活化后的样品放入事先配制好的镀液中，同时加入痕量的表面活性剂十二烷基磺酸钠以增加样品在溶液中的分散性，降低表面张力，于设定温度下中速机械搅拌0.5h，完成化学镀。最后将镀覆后的复合材料置于105℃的真空干燥箱中干燥至恒重。在对样品进行EDX能谱分析和电磁参数测定前对其进行400℃下氢气还原2h处理。

文中采用日立场发射电子显微镜S-4300对样品进行SEM形貌观测，EDX能谱分析采用的仪器设备是EMAX Energy X射线能谱仪6853-H，通过HP8722ES矢量网络分析仪对样品的复电磁参数进行测定。实验中采用的化学试剂均为分析纯。

2 结果与讨论

2.1 样品的形貌分析

图1（a）是原始螺旋碳纤维的SEM照片，与文献［6］的结论相同。螺旋碳纤维和平直的气相生长碳纤维完全不同，也和碳纳米管不同，它从表面到芯完全被碳粒所充满，未见中空，微观形态和构造决定螺旋管状碳纤维远比其它碳纤维具有高得多的表面活性。

图1（b）为经过化学镀Ni后的样品形貌，可以看出螺旋碳纤维表面已经紧密而均匀地包裹了一层金属层，在螺旋线圈的端部有部分漏镀的地方，也可能是由于在热处理还原后反复研磨导致镀层脱落。

图1（c）为图1（b）的局部放大图片，从中可以看出金属镍在螺旋碳纤维表面是以立方锥状的颗粒附着的，部分位置上有突出的镀层，因为镍离子本身就具有自催化活性，所以在活性中心沉积上金属镍以后，它又成为新的活性中心，表面继续沉积所致。

图1 螺旋碳纤维的SEM图

对镀层进行EDX能谱分析，可以看出表面镀层为纯的镍层，没有其它由还原剂带入的杂质元素存在，充分证明了联氨作为还原剂的优越性，见图2。

图2 螺旋碳纤维镀镍后的EDX能谱图

2.2 样品的电磁参数分析

通过网络矢量分析仪对包覆了纯金属层的样品进行电磁参数测定，吸波剂的填充质量分数为20％。1号样品为螺旋碳纤维，2号样品为镀镍后的螺旋碳纤维。

在图3和图4中可以分别看出在2～8GHz频段，化学镀Ni后样品的介电常数实部较镀Ni前提高了很多，但是随着频率的升高，ε′逐步下降。

从10GHz开始镀Ni前后差别逐渐变小。从图3和图4中可以看到两种样品都是ε′′较大而μ′′较小，说明这两种样品都属于电损耗材料［7］，尤其1号样品的μ′几乎都在1附近，表面金属化以后的样品μ′有明显变化，但相对ε′的改变几乎可以忽略不计，这对于电损耗材料而言，其衰减因子就会变小。

镀Ni后样品表面金属化使得ε′大大提高了，在8.6GHz附近达到了176左右。而镀Ni后样品的磁导率实部μ′较镀前有了显著下降，这可能是由表面金属纳米镍颗粒造成的。表面金属化还使磁导率虚部μ′随着频率的升高而逐渐降低。

图3 不同样品的ε′、ε″与频率f的关系图

图4 不同样品的μ′、μ″与频率f的关系图

以电磁理论为依据，利用样品的电磁参数来计算样品的损耗因子tanδ得结果如图5所示，从中可以看出样品对电磁波的吸收损耗主要是电损耗，介电损耗正切值较大，表面金属化一定程度上提高了样品的介电损耗，尤其是在10～18GHz有较大增幅，最大达到了35.2左右，表面金属化对样品的电阻率产生了不可忽略的影响。同样，表面金属化也对样品的磁损耗产生了一定的影响，原始样品的磁损耗正切值几乎为0，经过化学镀Ni以后出现在-0.6～0.3之间随频率升高减小的变化，金属镀层起到了改善样品磁损耗的作用。

图5 不同样品的tanδ与频率f的关系图

3 结论

1）采用银氨溶液作为活化液，大大降低了实验成本；采用化学镀的方法对微米级的螺旋碳纤维进行表面金属化处理，以联氨作为还原剂获得了较为致密和均匀的Ni镀层，金属镍是以立方锥状的纳米级颗粒附着在螺旋碳纤维表面。

2）通过对损耗因子tanδ的计算发现化学镀后复合材料的损耗因子较原来有了较大的提高，对电磁波的吸收损耗仍然以电损耗为主，金属Ni的引入改变了原材料的电阻率，大大改善了螺旋碳纤维基体的电磁性能。

［1］Davis W R，Slawson R J，Rigby G R.An unusual form of carbon［J］.Nature，1953（171）：756-757.

［2］汪定江，夏成宝.航空维修表面工程学［M］.北京：航空工业出版社，2006.

［3］姜晓霞，沈伟.化学镀理论及实践［M］.北京：国防工业出版社，2000.

［4］梁志杰.现代表面镀覆技术［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［5］易国君，陈小华，蒋文忠.碳纳米管的表面改性与镍的包覆［J］.中国有色金属学报，2004，14（3）：479-483.

［6］杨少明，陈秀琴，元岛栖二.高温热解法制备碳螺线管的扫描电子显微镜研究［J］.电子显微学报，2002，21（1）：66-68.

［7］邢丽英.隐身材料［M］.北京：化学工业出版社，2004.

〔编辑 杨德兵〕

Study of Electromagnetic Parameters of Micro-coiled Carbon Fiber with Ni Electroless Coating

ZHAO Lu1，2，GUO Yong1，2，BAI Yun-feng2，ZHAO Jian-guo2，LI Jiang1，2
（1.Institute of Applied Chemistry，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

New composite based on micro-coiled carbon fiber with pure Ni layer was prepared by electroless plating using the hydrazine as the reducing agent.Both the SEM micrographs and the energy dispersion X-ray analysis show that the Ni coating based on the carbon fiber powder was dense，uniform，continuous and without other impurity elements.The dynamic electromagnetic parameters of the composite in 2～18 GHz range were studied.Because of the metal coating，the permeability loss tangent（tanδμ）was improved to 35.2 in 10～18 GHz at most.It shows that the metal coating made a non-negligible effect on the sample's resistivity.The permeability and magnetic loss of composites is better than purified micro-coiled carbon fiber at low frequencies.

micro-coiled carbon nanofiber；electroless plating；hydrazine；electromagnetic loss

TQ153.3

A

1674-0874（2011）02-0034-03

2010－10－18

国家自然科学基金资助项目［21073113］；山西大同大学青年科学研究资助项目［2010Q10］［2008Q9］

赵璐（1982-），女，四川眉山人，硕士，助教，研究方向：材料化学；*郭永，男，博士，教授，通信作者。