碳纤维增强金属的电铸制造技术研究

钱王欢 韦元

[摘 要] 提高电铸层强度是国内外电铸制造技术领域的研究热点之一。在分析和总结国内外研究成果的基础上，首次提出在柔性受压的条件下将碳纤维束以单丝形式铺开，并有序缠绕于阴极芯模表面，然后电铸成形。围绕提出的新技术，重点介绍了碳纤维柔性受压缠绕的精确控制以及降低电铸层内部孔隙率的方法。

[关 键 词] 特种加工；碳纤维；电铸；强度

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）31-0086-02

一、引言

电铸是一种精密特种加工方法，它利用金属离子在阴极表面电沉积的原理进行零件的成形加工。与传统的金属成形工艺相比，具有复制精度高、重复精度高、适用范围广、电铸零件性能的可控性强、生产成本低等特点，因此广泛应用于制备火箭发动机喷管、电加工电极、微型机械构件等。

抗拉强度是电铸层的重要性能指标，提高电铸层抗拉强度的手段有很多种，例如，细化晶粒、摩擦辅助、合金增强、颗粒增强、连续纤维增强等。其中，使用连续纤维增强的效果最为显著。因为理论上来说，如果在电铸层受载方向上有序加入大量高强度连续纤维，那么在电铸层受到拉伸时，这些高强度纤维能够比金属承受高得多的载荷，进而提高整个电铸层的强度。

常见的增强纤维包括碳纤维、硼纤维、钨丝、氧化铝纤维、碳化硅纤维等，与其他增强纤维相比，碳纤维具有更小的单丝直径、更高的比强度等特点，并且价格便宜。因此若将碳纤维引入电铸制造技术，将过去单一金属或合金电铸层转变为碳纤维增强复合电铸层，那么一方面会显著提高电铸零件的力学性能，另一方面也能扩展电铸制造的应用范围。对于电铸技术现有的一些重要应用场合，譬如液体火箭发动機推力室身部、电加工电极、部分微纳结构等，碳纤维与电铸技术的成功结合必将深刻改变它们的制造过程和性能。

二、国内外研究现状

目前国内外对碳纤维增强复合电铸层的研究较少，当前研究主要集中在使用硼纤维、钨丝、碳化硅纤维、氧化铝纤维等方面，虽然取得了一定的进展，但也面临着不少问题。

日本的Kuboyama等使用的增强纤维是抗拉强度在1800 MPa以上的束状Al2O3纤维和束状SiO2纤维。但是最后得到的复合电铸层的强度却不甚理想，原因在于纤维排列的无序性导致束状纤维内部并没有被电铸金属包裹，复合电铸层内部孔隙率很高。

欧洲宇航防务集团（EADS）采用B、B4C-B、BN-B、SiC-B等轻质高强度纤维与铜、镍、铝等金属进行了复合电铸，得到的复合电铸层纤维含量在18%～49%之间，抗拉强度明显高于纯金属电铸层，其中Ni-SiC-B复合电铸层常温抗拉强度达到了1000 MPa。

美国的Kazaroff在NASA报告中提出了在火箭发动机喷管上按照特定纹路预先缠绕具有一定强度的纤维，然后再进行电铸的方法。此方法在提高强度的同时降低了喷管的重量，因此火箭可以将更多的有效载荷送入空中，具有重要的意义。

国内对连续纤维增强复合电铸的报道所见不多。厦门大学罗学涛等先将增强纤维编织成网，然后包裹在不锈钢基体上进行电铸，通过SEM观察制备的碳纤维—铜、玻璃纤维—铜等三种复合材料的断口形貌和结构，发现内部致密，孔隙较少。但并没有深入研究复合电铸层的力学性能。

三、碳纤维增强金属的柔性受压缠绕电铸制造技术

与硼纤维、钨丝等以单丝形式供应的纤维不同，碳纤维是以束状形式供应的，而且每束由至少1000根直径在6～8μm左右的柔软单丝互相堆垛在一起组成，因此将碳纤维成功掺入复合电铸层比将硼纤维、钨丝等纤维掺入复合电铸层的难度要大得多。具体表现在：

参与电化学反应的新鲜电解液无法及时足额地渗透到处于纤维束内部的单丝附近参与反应，导致碳纤维内部的大量单丝处于悬空状态，根本未起到增强作用。

反应生成物（主要为大量的氢气）吸附于碳纤维表面，未能及时排离，不仅破坏电沉积过程的稳定性，而且形成的孔隙直接影响材料最终的强度。

为了解决这些问题，本文提出在碳纤维缠绕电铸的过程中，利用一柔性介质（柔性压紧轮）对碳纤维施加一定的压力，使堆垛在一起的束状碳纤维以单丝的形式铺开并紧贴于阴极表面，如下图所示。同时，采用对碳纤维束与阴极的结合处喷射以高速流动的电解液或施加超声振动等方式强化电沉积发生区域的液相传质过程，使新鲜的电解液不断补充入碳纤维束内部，同时带走反应生产物。

（一）碳纤维柔性受压缠绕的实现及精确控制

为使碳纤维束以单丝的形式鋪开，柔性介质与阴极之间的压力必须要足够大；另一方面，为防止在缠绕的过程中将碳纤维扯断，该力又不能过大。本文设计的柔性轮内芯为不锈钢，外层为海绵。与刚性材料相比，柔性的海绵能够与碳纤维接触得更为紧密。此外，紧贴于碳纤维束的海绵还能随时向碳纤维束内部补充新鲜的电解液，防止内部因缺乏电解液而产生空洞。

随着电沉积的进行，阴极表面不断有金属沉积，厚度增加，虽然柔性的海绵在其弹性极限内具备一定的退让空间，但为了防止过大的压紧力导致碳纤维在缠绕时被拉断，有必要在压紧轮表面设置一高精度的压力传感器，并设计专门的恒压力伺服控制系统。

（二）降低高纤维体积分数下复合电铸层内部孔隙率的方法

理论上来说，复合电铸层的强度σ由纤维的强度σf和体积分数Vf以及纤维破坏时基体所受应力σm*和基体体积分数Vm决定，公式如下：

从公式中可以看出，复合电铸层的强度与纤维的体积分数成线性正相关，因此要获得更高强度的纤维增强金属材料，应该不断提高增强纤维的体积分数。但实际效果却非常微弱。因为复合电铸层能达到上述强度的前提是其内部致密无孔洞，纤维与基体结合良好，但事实却并非如此。如前所述，当过量的束状碳纤维密集地加入电铸层时，由于电铸过程液相传质严重受阻，浓度场分布不均，以及部分区域的电场被屏蔽，导致很多居于碳纤维束内部的单丝无法与金属完全紧密结合而处于悬空状态，在电铸层受到拉伸时，这些碳纤维单丝根本没有起到增强作用。

为此，有必要研究碳纤维体积分数与最终抗拉强度的关系，探索最佳的碳纤维掺入比例；在分析碳纤维柔性受压缠绕电铸过程电场分布情况和液相传质过程的基础上，重点探索降低高体积分数下复合电铸层内部孔隙率的有效办法，例如在适当位置增加高速冲液设备、使用超声振动等方式提高传质速率，尝试不同的碳纤维缠绕间隙和电流密度以调整电场分布，最终达到降低内部孔隙率，最大限度地发挥碳纤维增强作用的目的，获得高强度的碳纤维增强复合电铸层。

参考文献：

[1]陈钧武，何士桓.电铸原理与工艺[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]张国定，赵昌正.金属基复合材料[M].上海：上海交通大学出版社，1995.

[3]Kuboyama K， Ishibashi T， Uchio S. Fabrication of metal matrix composites by electroforming technique[J].International Journal of Materials and Product Technology， 2001（16）：67-73.