硫酸铜酸性镀铜液的碳纤维电镀铜预处理探讨

郭丽平(广东嘉元科技股份有限公司 514759)

上世纪六十年代，发展一种新型增强材料——碳纤维，拥有高比模量、低密度及其良好的自润滑性等优点，进而使得在复合材料中得到广泛应用。碳纤维电镀铜工艺在增强复合材料的导热性、导电性，但由于碳铜间不润滑及不反应，使得复合效果相对较差。鉴于此种原因，应处理好碳纤维与铜机体之间的界面结合，进而改善碳纤维电镀铜工艺。

一、碳纤维电镀铜预处理实验

本次实验采用12碳纤维，其直径为(7-8)μm；添加剂采用乙撑硫脲、甲基蓝、乳化剂及聚二硫二丙烷磺酸钠等按照比例配制成溶液；水采用去离子水。采用三种电镀液成分，其一：200g/L的CuSO4、70g/L的H 2SO4；其二：60 g/L的CuSO4、180g/L的H 2SO4；其三：60g/L的CuSO4、180g/L的H 2SO4、5m l/L添加剂。电镀采用MPS702的直流稳压稳流电源，其工作电压设置为(1.6-2.0)V，阳极为2块含磷铜板，其纤维长度设为46厘米，实验室内温度为18℃左右。

采用空气氧化除胶，并将碳纤维原丝在空气中加热到400℃，保温30分钟，待除胶后，将碳纤维浸入到40%的HNO3溶液中，连续加热煮沸，直至20分钟，对其进行粗化氧化。采用去离子水对其冲洗，直到中性，待干燥后以防备用。对纤维表面的分析采用SEM及XPS分析。

二、影响碳纤维质量的因素分析

碳纤维质量的影响因素主要从预处理、镀液成分及其处理工艺环境四大方面来探讨，下面对其给予具体分析：

1.预处理。碳纤维表面有一层有机胶，且与水有着较差的润滑性，很难在水中分散，进而给电镀工作带来较大困难，应加强对碳纤维的预处理，最终提高碳纤维表面活性，并增强亲水性。经过预处理后碳纤维表面的纹理有所加深，且深度逐渐加大，表面及所有增加，并提高了碳纤维的表面活性，使镀层与碳纤维间的活力更加紧密。表明通过预处理并未对碳纤维的机械性能有所影响。

通过采用X射线对氧化除胶或粗化氧化后的碳纤维样品进行再分析，可得到氧化除胶及硝酸粗化氧化后的碳纤维表面富含较为丰富的氧。同时对Cis进行分峰处理，得到碳纤维表面并有各种官能团。其中氧的C-H含量分别为285.2、61.3%；C-OH含量分别为287.5、23.6%；C-O 为 289.6、9.2%；COOH为291.4、6.8%。HNO3的C-H含量分别为28.5.1、62.6%；C-OH含量分别为287.4、32.1%；C-O 为 289.9、6.1%；COOH 为290.5、1.9%。碳纤维表面所生成的量主要为C-OH的含氧官能团，其亲水性较强，可有效改善碳纤维及水溶液的润滑性，使得在镀液中充分分散碳纤维，创造均匀镀层。

2.镀液成分。碳纤维电镀铜中常常遇到“黑心”问题，直接影响碳纤维表面活性。实验所使用碳纤维内外层纤维到阳极距离有着较大差异且外层的纤维对内层纤维的电屏蔽作用较明显，为了有效解决这一难题，则必须使镀液拥有较高的分散能力。通过试验研究表明：电镀液的分散能力与溶液的导电性能有着密切关系。且对于硫酸铜酸性电镀液，可有效提高电镀液的导电性能及阴极化度，最终提高分散能力。在提高游离H 2SO4浓度之后，可有效提高电镀液的阴极极化度。但在纤维束内侧的纤维表面较难得到镀层，也就产生了“黑心”的问题。当各个纤维都电镀一层，其黑心问题得到缓解。在电镀溶液中容易受到添加剂的影响，通常情况下，常用的添加剂有乙撑硫脲及聚二硫二丙烷磺酸钠等，与甲基蓝、乳化剂相配合使用，能够细化镀层晶粒，使镀液拥有良好的整平能力。用使硫酸浓度处于高的条件下，使用添加剂的将对阴极极化并没有多大影响，且对电镀液分散能力的影响也较小。通过实践表明：在电镀液中加入添加剂后，可得到镀层微观形貌，平整镀层，由此可看出，可有效提高镀液的整平性。

3.处理工艺环境。由于碳纤维电阻率较大，加上直径较小，容易纤维长度方向上的电位衰减较快，并在电镀过程中，铜镀层应靠近夹具位置沉积，并沿着纤维长度方向生长，直到电镀结束，在形成镀层的电荷传递的载体，降低其电阻率，并增加电镀体系的阴极面积。若采用恒电流对其进行控制，其体系的阴极有效面积将不断发生变化，导致阴极电流密度非常不稳定，也就不能在纤维表面形成较好的镀层。针对以上几点原因，碳纤维电镀铜的体系的控制应采用恒电压。电压可在较大范围内选择，当所控制的电压大于2.1V时，临近夹具的位置碳纤维电流密度相对较大，且容易出现“烧焦”的问题，更为严重的是能够分离出氢气。当电压控制在1.1V时，所需要的时间为370秒，当工作电压较低时，其生产效率相对较低。对其进行综合考虑及分析，体系电压适宜控制在(1.6-2.0)V。

结束语

由于碳纤维自身具有的特性，使得在复合材料具有较高应用价值。但由于碳铜间的不反应及其不润滑，使得复合效果相对较差。针对此种情况，本文重点探讨硫酸铜性镀铜液的带电镀处理工艺，并分析其影响因素。通过实验可得：通过空气高温氧化及硝酸粗化能够增加碳纤维的表面粗糙度，并有效改善与镀液的润滑性，提高与镀层的结合力。

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