短碳纖維表面金屬化及其銅基復合材料的制備與性能研究.pdf

1、碳纖維增強銅基復合材料具有優(yōu)異的導電、導熱、減磨和耐磨性能以及較低的熱膨脹系數(shù),在航空航天、機械和電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。短碳纖維增強銅基復合材料的制備工藝一般采用粉末冶金法,由于碳纖維與銅粉間密度相差很大,球磨混合難以得到組織結(jié)構(gòu)均勻和性能優(yōu)異的碳纖維增強銅基復合材料。本文嘗試采用碳纖維表面金屬化新工藝預先制備短碳纖維/銅復合絲,后采用粉末冶金法制備短碳纖維增強銅基復合材料。此外,對采用空氣氧化法進行碳纖維表面改性處理時,煅燒溫

2、度對表面含氧活性官能團的影響進行了分析,獲得了碳纖維表面含氧活性官能團最多時的處理工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,從外加電壓和官能團兩個角度出發(fā),探討了短碳纖維電鍍銅的沉積機理。碳纖維表面金屬化可采用化學鍍工藝。目前化學鍍銅多采用以甲醛為還原劑的配方體系,雖然這種方法較為成熟,但甲醛本身具有毒性。本論文嘗試采用以次磷酸鈉為還原劑的化學鍍銅工藝制備了界面結(jié)合良好、鍍銅層厚度均勻的短碳纖維/銅復合絲。對短碳纖維增強銅基復合材料的密度、導電性、導熱性、

3、熱膨脹性以及纖維硬度進行測試,得到以下實驗結(jié)果：碳纖維體積含量為10.2%時復合材料導電性(沿纖維軸向)最好,可達純銅導電性的85%。分別在30oC和200oC下測量復合材料的導熱率(沿纖維軸向),測得當短碳纖維體積含量為10.2%時,復合材料的導熱性能最好,對應(yīng)的導熱系數(shù)分別為47.9 W/m K、67.9 W/m K。復合材料的熱膨脹系數(shù)隨著短碳纖維含量的增加而減小,當溫度變化區(qū)間為30oC-100oC時,30%含量的碳纖維/銅復合

4、材料的熱膨脹系數(shù)最小,為13.9×10-6/K；當溫度變化區(qū)間為30oC-200oC,最小的熱膨脹系數(shù)為15.2×10-6/K。當纖維體積含量為30%時,短碳纖維增強銅基復合材料的顯微硬度為121HV。未經(jīng)過改性處理的碳纖維表面惰性大、表面能低,缺乏有化學活性的官能團,因而與基體材料進行復合時,常因界面結(jié)合不好而影響復合材料性能的發(fā)揮。無論采用化學鍍還是電鍍法制備短碳纖維增強銅基復合材料時,我們希望在碳纖維表面含氧活性官能團最多時進行表

5、面金屬化工藝。工業(yè)中常使用電化學氧化法將活性含氧基團引入碳纖維表面,但這種方法的后續(xù)處理工作十分繁瑣,因此本文采用空氣氧化法對碳纖維表面進行氧化處理。將經(jīng)過不同煅燒溫度對碳纖維進行1小時煅燒處理后的碳纖維進行XPS、FTIR等檢測,得出以下結(jié)論：經(jīng)400 oC煅燒1小時處理后,在保持碳纖維原有狀態(tài)的基礎(chǔ)上,碳纖維表面含氧活性基團-OH和C=O最多。論文對比分析了電壓及表面活性官能團對電鍍銅形貌的影響,嘗試探討了在短碳纖維表面電鍍銅的沉積