碳纤维增强复合材料表面金属化应用研究

陈春 黄晓嘉 李立

摘要：通过真空离子镀和化学镀两种方法对碳纤维增强复合材料进行表面金属化处理，获得了良好的金属镀层，镀层结合力达到1级，表面电阻率从基材的103Ω/□降低到10-3Ω/□，同时在热真空和温度冲击环境中进行了可靠性驗证。结果表明，通过表面金属化方法能够极大提高碳纤维增强复合材料的导电性能，同时金属镀层能够满足产品的可靠性要求。

关键词：碳纤维增强复合材料;金属化;表面电阻率;可靠性

1引言

碳纤维增强复合材料（CFRP），具有轻质、高强度、高模量、环境适用性好等特点，广泛应用于航空、航天等领域。作为结构材料具有绝对的优势，但作为结构功能一体化材料，特别在电子设备中的应用，如天线、微波器件等，由于其导电性差，很难满足产品的电性能指标，应用受到限制。

复合材料表面金属化方法很多，如真空离子镀、金属转移法、喷涂金属粉末、电镀、化学镀等，各种表面金属化方法各有优缺点。综合相关的研究，选择对真空离子镀、化学镀两种方法进行应用研究及可靠性分析，寻求适合电子产品的表面金属化方法。

2样品制备与测试方法

2.1 样品制备

样件尺寸为3mm×150mm×150mm，表面采用真空离子镀和化学镀，分别对碳纤维样件进行表面金属化（Cu）处理。

2.2 测试方法

通过扫描电子显微镜检测镀层厚度及形貌。

测试标准参照国标划格法测试。

通过四探针测试仪测试样件的表面电阻率。

3试验结果及讨论

3.1 镀层外观

真空离子镀与化学镀的镀层外观如图1所示。

通过国标划格法进行测试，两种方式的镀层结合力均为1级，够满足使用需求。

3.2 镀层SEM形貌

真空离子镀与化学镀的镀层的微观形貌，如图2所示。

从图中可以看出镀层均完全与基体材料紧密结合，厚度能够均匀分布;由于真空离子镀是通过电磁场作用沉积，相比化学镀更为致密。

3.3表面电阻率

真空离子镀与化学镀的镀层表面电阻率的结果如图3所示。

两种镀层方式的镀层表面电阻率的数量级均在10-3Ω/□，相对于基体材料T300（103Ω/□）而言，降低了6个数量级，导电性能得到极大提高;但两种镀层方式的不同导致镀层致密性差异，使得表面电阻率也存在微小的不同。

4环境适应性验证

通过对镀层质量和性能的测试，两种金属化方法均能实现功能性要求，基于时间关系，主要进行了热真空和温度冲击试验。

4.1 热真空试验

4.1.1 镀层外观对比

通过热真空试验，样件镀层基本保持不变，均未出现起层、脱落等现象，表明碳纤维复合材料经过表面金属化后能够适应热真空环境。

4.1.2 镀层表面电阻率对比

对热真空试验前后的样件进行表面电阻率测试，对比结果见图4所示。

从整体变化趋势来看，镀层的表面电阻率在热真空环境下有所增大;从具体数据来看，热真空环境对镀层的表面电阻率影响较小。表明碳纤维复合材料经过表面金属化的样件导电性能在热真空环境下基本不受影响。

4.2 温度冲击试验

4.2.1 镀层外观对比

通过温度冲击试验，两种类型的镀层表面均未出现起层、脱落等现象，但均出现氧化现象。这表明金属铜镀层不能直接裸露在温度冲击的环境中，需在采用其他金属（如Al、Ni等）作为表面镀层或采用其他的表面防护方式。

4.2.2 镀层表面电阻率对比

对温度冲击试验前后的样件进行表面电阻率测试，对比结果见图5所示。

镀层在温度冲击环境下，镀层被氧化，产生金属氧化膜，使得表面电阻率有所增大;从具体数据来看，在温度冲击环境中，表面电阻率变化量级均较小，表明经过表面金属化的碳纤维复合材料能够在温度冲击环境中达到性能要求。

5结论

通过真空离子镀和化学镀两种方法对碳纤维增强复合材料进行表面金属化处理，获得了良好的金属镀层，镀层结合力达到1级，表面电阻率从基材的103Ω/□降低到10-3Ω/□，同时在热真空和温度冲击环境中进行了可靠性验证。结果表明，通过表面金属化方法能够极大提高碳纤维增强复合材料的导电性能，同时金属镀层能够满足热真空和温度冲击环境的使用要求。

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（作者单位：中国电子科技集团公司第二十九研究所）