[发明专利]一种连续碳纤维表面金属化处理的方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料制备过程中的前处理工艺，具体涉及碳纤维表面金属化处理的方法。

背景技术

碳纤维是经过高温炭化制得的含碳量高达93%以上的新型碳材料，具有高比强度、高比模量、高导电和导热、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小等诸多优异性能。

碳纤维在制备时，经高温惰性气体的炭化处理，随着非碳元素的逸走和碳的富集，使其表面活性减小，表面张力降低，比表面积减小，与形成金属基体之间的浸润性较差，外加载荷不能通过基体金属传递给起承载作用的碳纤维，导致碳纤维增强体拔出、剥离或剥落，强度不能达到使用设计的要求。为解决这一问题，常采取对碳纤维进行表面金属化处理的方法，以提高碳纤维与金属基体之间的浸润性，能显著改善碳纤维复合材料的性能。

目前，碳纤维表面金属化处理方法主要有化学镀、气相沉积等方法。化学镀指在无外加电流情况下，使用合适的还原剂，将溶液中金属离子还原成金属沉积在物体表面；气相沉积是指反应物在气态条件下发生化学反应，生产固态物质沉积在基体表面的工艺。化学镀、气相沉积目前多是对中短碳纤维进行表面金属化处理。化学镀方法的工艺路线复杂，操作步骤繁琐；气相沉积法控制条件苛刻、设备要求较高；二者均不能在线配套使用，生产效率较低。

发明内容

为解决现有的碳纤维表面金属化处理方法步骤繁琐，不能连续化进行且只局限于中短碳纤维的缺陷，本发明提供一种方法简单易行、连续的适用于长碳纤维的表面金属化处理的方法。

本发明采用的技术解决方案包括以下步骤：

（1）配置浸渍溶液或电镀溶液：其主金属离子的浓度为20～200g/L、K⁺的浓度为100～500g/L、Na⁺的浓度为2～20g/L、NO₃^-的浓度为2～30g/L，柠檬酸根离子的浓度20～200g/L、酒石酸根离子的浓度为2～20g/L、有机表面活性剂适量；

（2）预浸渍：将未上浆或经表面去浆后的碳纤维连续通过所述浸渍溶液浸渍，碳纤维的每处浸渍持续时间为0.5～15min，得到预浸渍碳纤维；

（3）连续电镀：将所述预浸渍碳纤维连续通过盛有所述电镀溶液的电解槽，得到表面金属化碳纤维；

（4）水洗：使用水洗装置洗去从所述表面金属化碳纤维上自带的电解质离子；

（5）烘干：在惰性气体保护下对水洗后的表面金属化碳纤维进行烘干处理即可。

进一步地，连续电镀时，将预浸渍碳纤维通过导电石墨辊连接电源作为阴极，将磷铜板作为阳极，采取双板对称结构电极，采用低压直流电源，电压为0.1～15V、电流为0.01～1.5A，电镀溶液温度为15～75℃、电镀时间为0.5～30min。

本发明所具有的优点是：

1、本发明对碳纤维进行预浸渍后再进行表面金属化处理，调高纤维丝束对电镀溶液的浸渍，显著减小因碳纤维比表面积较大而造成的电镀溶液浸渍的差异性，提高碳纤维表面金属镀层分布的均匀性。同时预浸渍还起到除去碳纤维表面的灰尘等杂质异物的作用，减少金属层局部结块或镀层缺失。

2、本发明采用复合的络合电镀溶液，保证电镀液的稳定性，避免离子型电解溶液沉积速度过快而造成颗粒金属沉积，提高沉积金属层的致密性，保证金属层与碳纤维的结合强度。

3、本发明采用双板对称结构阳极，解决因丝束外层碳纤维对丝束中心纤维的屏蔽作用而造成的“黑心”现象，提高碳纤维表面金属沉积层分布的均匀性与一致性。稳压控制的供电方式更适合电镀过程中碳纤维有效阴极表面积变化较大情况，增大电流使用效率，降低控制难度。

4、本发明具有设备要求低、处理过程简单、表面金属化处理效果较好、生产效率高的优点。所涉及设备可以通过现有类似设备的简单改造获得，处理手段温和对碳纤维强度影响较小，预浸渍操作与特殊的电镀阳极设计保证了金属化处理结果，处理过程的操作要求少。

5、本发明具有连续生产的特点，可与碳纤维复合材料生产线配套使用。尤其适合进行连续长纤维表面金属化处理，大大降低高性能金属基复合材料的生产难度与生产成本。

具体实施方式