[发明专利]碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置和方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置和方法。

背景技术

碳纤维是复合材料中最主要的增强纤维之一。在碳纤维增强金属基复合材料中，一个非常关键的因素是纤维与基体金属间的润湿性。为提高界面结合力，并防止过量的界面化学反应，有必要对碳纤维表面进行涂覆处理。常用方法有化学镀、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积、离子溅射等，但化学镀工艺复杂，消耗大量药品，物理气相沉积、化学气相沉积所需设备昂贵，镀层质量有待提高。电镀方法则具有操作温度低、设备简单、成本低廉、可连续生产等优点，适合工业化生产。

碳纤维具有导电性，在电沉积过程中，可以作为阴极，所镀金属板为阳极，同时浸入电镀溶液中，在一定的电流密度的作用下，发生阴极电沉积反应，碳纤维表面即可被金属所包覆。但是，碳纤维与金属相比，有较高的电阻(比电阻为0.0016Ωcm)；此外，碳纤维成束供应，每束数千根甚至上万根，每根纤维直径仅有6-7μm，因此具有非常大的表面积。碳纤维具有较高电阻和较大表面积的特点，给电沉积带来了困难。在进行阴极电沉积时，极易出现“结饼”现象，即在电沉积时，一束碳纤维的外层沉积金属较多，而束内的纤维却沉积不上镀层。这种纤维表面包覆镀层不均匀现象，使部分纤维与基体金属不能实现良好的结合，因此克服“结饼”现象是实现碳纤维连续化电镀的关键。

若在普通镀液中添加不溶性的固体微粒，并使其充分悬浮于镀液之中或分布于基体表面，则可以在阴极还原时获得包覆微粒的复合镀层。复合电镀可以大大丰富原有电镀的品种，改善原有镀层的性能。如果镀液中添加的固体微粒为纳米尺度，则可以通过电镀获得纳米复合镀层。该种镀层具有更为独特的物理、化学及力学性能，因此具有很大的研究和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置和方法。本发明根据碳纤维表面沉积纳米复合镀层前后性能的变化，使纤维连续地通过三组电沉积槽，各组槽内的溶液成分和工艺参数，可根据工艺要求进行独自调整，纤维表面的纳米复合沉积层逐级增厚，避免了单槽沉积的“结饼”现象，达到纤维在基体中均分分布的效果。

本发明提供的碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置主要包括：

长碳纤维束电极：用于电镀的不同线密度的碳纤维；

管式炉：管式炉是一种温度可控的加热系统，它可用于对碳纤维进行除胶处理；

直流电源：直流电源是一种不超过30V的电源整流器，它可提供较高的电流；

过滤泵：用于过滤镀液中断落的碳纤维及大颗粒杂质；

机械传动机构：该机构是由无级变速电机提供的传动速度可调的传动机构，用于带动碳纤维束以一定速度移动，实现电镀自动化；

放线轮：用于纤维传递；

带强力搅拌的电镀槽：主要用于盛放电镀溶液，并提供强力搅拌，实现纳米颗粒的均匀分散；

循环泵：循环泵是一种循环速度可控的耐酸碱腐蚀的机械泵，它可提高碳纤维束的分散程度，并提高镀液中离子的均匀度；

搅拌装置：置于镀槽中，用于液体搅拌，可保证纳米颗粒的分散程度，并提高镀液中离子的均匀度；

碳纤维两侧的电极：用于提供电镀所需要的目标离子；

中和槽：用于盛装与电镀溶液酸碱度相反的水溶液，用于中和碳纤维束上残留的电镀溶液，为下一级电镀做好准备；

清洗槽：用于对已镀纤维进行清洗，防止纤维束上残留纤维对下一级镀液造成污染；

烘干装置：由温度可控的烘箱构成，用于对电镀完成的纤维束进行烘干；

布线装置：用于纤维传递；

收线轮：用于纤维传递和收集。

本发明提供的碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置用于在碳纤维表面镀覆含镍复合纳米颗粒的镀层。

所述的碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的方法包括的步骤：

将连续的长碳纤维浸在包括有金属和纳米颗粒的电镀液槽中连续电沉积进行表面镀覆，然后经过水洗槽、中和槽、最后进行水洗、烘干。

所述的电镀液是酸性硫酸镍溶液，溶液配方范围如下：

硫酸镍    180-250g/L      氯化钠        8-12g/L

H₃BO₃     30-35g/L        无水硫酸钠    20-30g/L

硫酸镁    30-40g/L

pH        5-6

温度      20-35℃。