本發(fā)明屬于非金屬材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維表面金屬化處理方法。

背景技術(shù)：

作為一種新型非金屬材料，碳纖維的應(yīng)用遍及航天航空，建筑，消防，文體等各個(gè)方面。碳纖維是一種具有高強(qiáng)度，高模量的材料，但碳纖維浸潤性差，與基體復(fù)合時(shí)界面結(jié)合強(qiáng)度較弱，所以需要在碳纖維表面包覆上一層能與基體金屬很好結(jié)合，甚至能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)合物的“媒介”物質(zhì)。

當(dāng)前，對碳纖維的表面金屬化處理方法比較多，常見的有電鍍、氣相沉積、熱噴涂技術(shù)等。氣相沉積是指反應(yīng)物在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)固態(tài)物質(zhì)沉積在基體表面的工藝。但氣相沉積法生產(chǎn)條件較難控制且對設(shè)備要求較高。電鍍是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程，但電鍍成本較高，不適合批量生產(chǎn)。且氣相沉積與電鍍目前大多對中短纖維進(jìn)行表面金屬化處理。而熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至溶化或半溶化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成涂層的方法，熱噴涂技術(shù)雖然操作簡單，操作靈活，但其工藝對工件尺寸要求較高，只適宜大型構(gòu)件表面處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維表面金屬化處理方法，解決了現(xiàn)有碳纖維表面金屬化處理方法存在實(shí)驗(yàn)條件苛刻，操作復(fù)雜及需設(shè)備要求較高的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種碳纖維表面金屬化處理方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，預(yù)處理

步驟1.1表面除膠：將碳纖維進(jìn)行高溫灼燒，灼燒溫度為400～500℃，時(shí)間30～50min；

步驟1.2粗化處理：將除膠后的碳纖維浸入20～30wt％的硝酸溶液煮沸，時(shí)間30～50min；

步驟1.3敏化處理：將粗化后的碳纖維浸入氯化亞錫敏化液中進(jìn)行敏化5～10 min，其中，氯化亞錫敏化液成分為氯化亞錫、鹽酸和錫，用量：氯化亞錫：10～20g/L，鹽酸：30～40g/L，錫：3～5g/L；

步驟1.4活化處理：將敏化后的碳纖維浸入氯化鈀活化液中活化3～8 min，氯化鈀活化液由氯化鈀和鹽酸混合而成，其用量為：氯化鈀：0.1～0.5g/L，鹽酸：20～35ml/L，即得到預(yù)處理的碳纖維；

步驟2，預(yù)鍍

將步驟1得到預(yù)處理的碳纖維在預(yù)鍍液中進(jìn)行預(yù)鍍，預(yù)鍍液為鎳金屬鹽、醋酸鈉、酒石酸鉀鈉和次亞磷酸鈉的混合液，用量為：鎳金屬鹽：20～40g/L，醋酸鈉：10～30g/L，酒石酸鉀鈉：1～3mg/L，次亞磷酸鈉：10～30g/L，調(diào)節(jié)預(yù)鍍液的pH為4～6，溫度為60～80℃，預(yù)鍍時(shí)間為5～10min；

步驟3，化學(xué)鍍

將步驟2所得的預(yù)鍍后的碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍，化學(xué)鍍液為鎳金屬鹽、醋酸鈉、檸檬酸鈉、次亞磷酸鹽和穩(wěn)定劑的混合液，用量為：鎳金屬鹽：30～50g/L，醋酸鈉：20～40g/L，檸檬酸鈉：30～60g/L，次亞磷酸鹽：30～50g/L，穩(wěn)定劑：0.01～1mg/L，調(diào)節(jié)鍍液的pH為5～8，溫度為60～80℃，化學(xué)鍍時(shí)間為30～50min，最終制得表面有金屬鍍層的碳纖維。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

步驟3化學(xué)鍍液中的鎳金屬鹽可以為硫酸鎳，氯化鎳中任一種。

步驟3化學(xué)鍍液中次亞磷酸鹽為次亞磷酸鈉或次亞磷酸鉀中任一種。

步驟3化學(xué)鍍液中穩(wěn)定劑為酒石酸鈉鉀、硫代硫酸鈉中任一種，或其兩者任意比例的混合液。

步驟3化學(xué)鍍液中調(diào)節(jié)鍍液pH采用氨水、乳酸中任一種，或二者任意比例的混合液。

本發(fā)明的有益效果在于：

1）本發(fā)明一種碳纖維表面金屬化處理方法，先對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，使得碳纖維表面在粗化、敏化和活化后，碳纖維表面粗糙度增大，增強(qiáng)了碳纖維與表面金屬之間界面粘結(jié)狀況；

2）本發(fā)明一種碳纖維表面金屬化處理方法，經(jīng)預(yù)處理后采用預(yù)鍍和化學(xué)鍍，碳纖維表面在活化過程中表面吸附一層具有催化活性的貴金屬鈀微粒，次亞磷酸鹽在鈀金屬的催化作用下釋放出初生態(tài)的氫原子，初生態(tài)的原子氫吸附在貴金屬的表面，鍍液中的金屬陽離子被還原，從而在貴金屬表面上沉積金屬鍍層，解決了碳纖維浸潤性差和與基體材料的界面粘結(jié)性差的問題，并而提高了碳纖維的強(qiáng)度，耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性；

3）本發(fā)明一種碳纖維表面金屬化處理方法，其工藝路線簡單，原料易得，生產(chǎn)成本低，無污染。

附圖說明

圖1為預(yù)處理后碳纖維的掃描電鏡圖；

圖2為化學(xué)鍍處理后碳纖維的掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種碳纖維表面金屬化處理方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，預(yù)處理

步驟1.1表面除膠：將碳纖維進(jìn)行高溫灼燒，灼燒溫度為400～500℃，時(shí)間30～50min；

步驟1.2粗化處理：將除膠后的碳纖維浸入20～30wt％的硝酸溶液煮沸，時(shí)間30～50min；

步驟1.3敏化處理：將粗化后的碳纖維浸入氯化亞錫敏化液中進(jìn)行敏化5～10 min，其中，氯化亞錫敏化液成分為氯化亞錫、鹽酸和錫，用量：氯化亞錫：10～20g/L，鹽酸：30～40g/L，錫：3～5g/L；

步驟1.4活化處理：將敏化后的碳纖維浸入氯化鈀活化液中活化3～8 min，氯化鈀活化液由氯化鈀和鹽酸混合而成，其用量為：氯化鈀：0.1～0.5g/L，鹽酸：20～35ml/L，即得到預(yù)處理的碳纖維；

步驟2，預(yù)鍍

將步驟1得到預(yù)處理的碳纖維在預(yù)鍍液中進(jìn)行預(yù)鍍，預(yù)鍍液為鎳金屬鹽、醋酸鈉、酒石酸鉀鈉和次亞磷酸鈉的混合液，用量為：鎳金屬鹽：20～40g/L，醋酸鈉：10～30g/L，酒石酸鉀鈉：1～3mg/L，次亞磷酸鈉：10～30g/L，調(diào)節(jié)鍍液的pH為4～6，溫度為60～80℃，預(yù)鍍時(shí)間為5～10min；

步驟3，化學(xué)鍍

將步驟2所得的預(yù)鍍后的碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍，化學(xué)鍍液為鎳金屬鹽、醋酸鈉、檸檬酸鈉、次亞磷酸鹽和穩(wěn)定劑的混合液，用量為：鎳金屬鹽：30～50g/L，醋酸鈉：20～40g/L，檸檬酸鈉：30～60g/L，次亞磷酸鹽：30～50g/L，穩(wěn)定劑：0.01～1mg/L，調(diào)節(jié)鍍液的pH為5～8，溫度為60～80℃，化學(xué)鍍時(shí)間為30～50min，最終制得表面有金屬鍍層的碳纖維。

步驟3化學(xué)鍍液中的鎳金屬鹽可以為硫酸鎳，氯化鎳。

步驟3化學(xué)鍍液中次亞磷酸鹽為次亞磷酸鈉或次亞磷酸鉀。

步驟3化學(xué)鍍液中穩(wěn)定劑為酒石酸鈉鉀、硫代硫酸鈉，或其兩者任意比例的混合液。

步驟3化學(xué)鍍液中調(diào)節(jié)鍍液pH采用氨水、乳酸，或二者任意比例的混合液。

本發(fā)明一種碳纖維表面金屬化處理方法，先對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，使得碳纖維表面在粗化、敏化和活化后，碳纖維表面粗糙度增大，增強(qiáng)了碳纖維與表面金屬之間界面粘結(jié)狀況；采用預(yù)鍍和化學(xué)鍍，鎳金屬鹽作為主反應(yīng)物，在纖維表面包覆形成致密的金屬層，金屬層無孔隙且厚度均勻，改善了纖維光滑且無活性基團(tuán)的惰性表面，解決了碳纖維浸潤性差和與基體材料的界面粘結(jié)性差的問題，并而提高了碳纖維的強(qiáng)度，耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性；其工藝路線簡單，原料易得，生產(chǎn)成本低，無污染。

由圖1可知，預(yù)處理過的纖維表面出現(xiàn)凹凸不平的刻蝕和斑痕，為粒子的附著提供了著位點(diǎn)；由圖2可知，金屬鍍層能夠和纖維表面較好的結(jié)合在一起，表面較為均勻。

實(shí)施例1

步驟1，預(yù)處理

步驟1.1表面除膠：將碳纖維進(jìn)行高溫灼燒，灼燒溫度為400℃，時(shí)間40min；

步驟1.2粗化處理：將除膠后的碳纖維浸入20wt％的硝酸溶液煮沸，時(shí)間40min；

步驟1.3敏化處理：將粗化后的碳纖維浸入氯化亞錫敏化液中進(jìn)行敏化5 min，其中，氯化亞錫敏化液成分為氯化亞錫、鹽酸和錫，用量：氯化亞錫：15g/L，鹽酸：35g/L，錫：5g/L；

步驟1.4活化處理：將敏化后的碳纖維浸入氯化鈀活化液中活化8 min，氯化鈀活化液由氯化鈀和鹽酸混合而成，其用量為：氯化鈀：0.3g/L，鹽酸：30ml/L，即得到預(yù)處理的碳纖維；

步驟2，預(yù)鍍

將步驟1得到預(yù)處理的碳纖維在預(yù)鍍液中進(jìn)行預(yù)鍍，預(yù)鍍液為硫酸鎳、醋酸鈉、酒石酸鉀鈉和次亞磷酸鈉的混合液，用量為：硫酸鎳：20g/L，醋酸鈉：10g/L，酒石酸鉀鈉：1mg/L，次亞磷酸鈉：10g/L，調(diào)節(jié)鍍液的pH為4，溫度為80℃，預(yù)鍍時(shí)間為5min；

步驟3，化學(xué)鍍

將步驟2所得的預(yù)鍍后的碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍，化學(xué)鍍液為硫酸鎳、醋酸鈉、檸檬酸鈉、次亞磷酸鈉和硫代硫酸鈉的混合液，用量為：硫酸鎳：30g/L，醋酸鈉：40g/L，檸檬酸鈉：30g/L，次亞磷酸鹽：40/L，硫代硫酸鈉：0.01mg/L，調(diào)節(jié)鍍液的pH為5，溫度為80℃，化學(xué)鍍時(shí)間為50min，最終制得表面有金屬鎳層的碳纖維。

經(jīng)上述處理，如圖2所示，測量得到鍍層鎳層厚度為1.5μm。

實(shí)施例2

步驟1，預(yù)處理

步驟1.1表面除膠：將碳纖維進(jìn)行高溫灼燒，灼燒溫度為450℃，時(shí)間30min；

步驟1.2粗化處理：將除膠后的碳纖維浸入25wt％的硝酸溶液煮沸，時(shí)間30min；

步驟1.3敏化處理：將粗化后的碳纖維浸入氯化亞錫敏化液中進(jìn)行敏化7min，其中，氯化亞錫敏化液成分為氯化亞錫、鹽酸和錫，用量：氯化亞錫：20g/L，鹽酸：40g/L，錫：3g/L；

步驟1.4活化處理：將敏化后的碳纖維浸入氯化鈀活化液中活化5 min，氯化鈀活化液由氯化鈀和鹽酸混合而成，其用量為：氯化鈀：0.1g/L，鹽酸：20ml/L，即得到預(yù)處理的碳纖維；

步驟2，預(yù)鍍

將步驟1得到預(yù)處理的碳纖維在預(yù)鍍液中進(jìn)行預(yù)鍍，預(yù)鍍液為硫酸鎳、醋酸鈉、酒石酸鉀鈉和次亞磷酸鈉的混合液，用量為：硫酸鎳：30g/L，醋酸鈉：20g/L，酒石酸鉀鈉：2mg/L，次亞磷酸鈉：20g/L，采用乳酸調(diào)節(jié)鍍液的pH為5，溫度為70℃，預(yù)鍍時(shí)間為8min；

步驟3，化學(xué)鍍

將步驟2所得的預(yù)鍍后的碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍，化學(xué)鍍液為硫酸鎳、醋酸鈉、檸檬酸鈉、次亞磷酸鈉和酒石酸鈉鉀的混合液，用量為：硫酸鎳：40g/L，醋酸鈉：30g/L，檸檬酸鈉：50g/L，次亞磷酸鈉：30g/L，酒石酸鈉鉀：0.5mg/L，調(diào)節(jié)鍍液的pH為5，溫度為70℃，化學(xué)鍍時(shí)間為40min，最終制得表面有金屬鎳層的碳纖維。

實(shí)施例3

步驟1，預(yù)處理

步驟1.1表面除膠：將碳纖維進(jìn)行高溫灼燒，灼燒溫度為500℃，時(shí)間50min；

步驟1.2粗化處理：將除膠后的碳纖維浸入30wt％的硝酸溶液煮沸，時(shí)間50min；

步驟1.3敏化處理：將粗化后的碳纖維浸入氯化亞錫敏化液中進(jìn)行敏化6 min，其中，氯化亞錫敏化液成分為氯化亞錫、鹽酸和錫，用量：氯化亞錫：10g/L，鹽酸：30g/L，錫：4g/L；

步驟1.4活化處理：將敏化后的碳纖維浸入氯化鈀活化液中活化8 min，氯化鈀活化液由氯化鈀和鹽酸混合而成，其用量為：氯化鈀：0.5g/L，鹽酸：35ml/L，即得到預(yù)處理的碳纖維；

步驟2，預(yù)鍍

將步驟1得到預(yù)處理的碳纖維在預(yù)鍍液中進(jìn)行預(yù)鍍，預(yù)鍍液為硫酸鎳、醋酸鈉、酒石酸鉀鈉和次亞磷酸鈉的混合液，用量為：硫酸鎳： 40g/L，醋酸鈉：30g/L，酒石酸鉀鈉：3mg/L，次亞磷酸鈉：30g/L，調(diào)節(jié)鍍液的pH為6，溫度為60℃，預(yù)鍍時(shí)間為10min；

步驟3，化學(xué)鍍

將步驟2所得的預(yù)鍍后的碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍，化學(xué)鍍液為氯化鎳、醋酸鈉、檸檬酸鈉、次亞磷酸鹽和酒石酸鈉鉀的混合液，用量為：氯化鎳： 50g/L，醋酸鈉：20g/L，檸檬酸鈉：60g/L，次亞磷酸鹽：50g/L，酒石酸鈉鉀：1mg/L，采用氨水調(diào)節(jié)鍍液的pH為6，溫度為60℃，化學(xué)鍍時(shí)間為30min，最終制得表面有金屬鎳層的碳纖維。

實(shí)施例4

步驟1，預(yù)處理

步驟1.1表面除膠：將碳纖維進(jìn)行高溫灼燒，灼燒溫度為480℃，時(shí)間30min；

步驟1.2粗化處理：將除膠后的碳纖維浸入28wt％的硝酸溶液煮沸，時(shí)間45min；

步驟1.3敏化處理：將粗化后的碳纖維浸入氯化亞錫敏化液中進(jìn)行敏化10 min，其中，氯化亞錫敏化液成分為氯化亞錫、鹽酸和錫，用量：氯化亞錫：18g/L，鹽酸：38g/L，錫：4.5g/L；

步驟1.4活化處理：將敏化后的碳纖維浸入氯化鈀活化液中活化3min，氯化鈀活化液由氯化鈀和鹽酸混合而成，其用量為：氯化鈀：0.4g/L，鹽酸：25ml/L，即得到預(yù)處理的碳纖維；

步驟2，預(yù)鍍

將步驟1得到預(yù)處理的碳纖維在預(yù)鍍液中進(jìn)行預(yù)鍍，預(yù)鍍液為氯化鎳、醋酸鈉、酒石酸鉀鈉和次亞磷酸鈉的混合液，用量為：氯化鎳：25g/L，醋酸鈉：15g/L，酒石酸鉀鈉：1.5mg/L，次亞磷酸鈉：15g/L，調(diào)節(jié)鍍液的pH為5，溫度為65℃，預(yù)鍍時(shí)間為6min；

步驟3，化學(xué)鍍

將步驟2所得的預(yù)鍍后的碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍，化學(xué)鍍液為氯化鎳、醋酸鈉、檸檬酸鈉、次亞磷酸鉀和酒石酸鈉鉀的混合液，用量為：氯化鎳：45g/L，醋酸鈉：25g/L，檸檬酸鈉：45g/L，次亞磷酸鉀：45g/L，酒石酸鈉鉀：0.8mg/L，采用氨水與乳酸1：1混合液調(diào)節(jié)鍍液的pH為5，溫度為80℃，化學(xué)鍍時(shí)間為50min，最終制得表面有金屬鍍層的碳纖維。

本發(fā)明一種碳纖維表面金屬化處理方法，先對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，使得碳纖維表面在粗化、敏化和活化后，碳纖維表面粗糙度增大，增強(qiáng)了碳纖維與表面金屬之間界面粘結(jié)狀況；采用預(yù)鍍和化學(xué)鍍，鎳金屬鹽作為主反應(yīng)物，在纖維表面包覆形成致密的金屬層，金屬層無孔隙且厚度均勻，改善了纖維光滑且無活性基團(tuán)的惰性表面，解決了碳纖維浸潤性差和與基體材料的界面粘結(jié)性差的問題，并而提高了碳纖維的強(qiáng)度，耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性；其工藝路線簡單，原料易得，生產(chǎn)成本低，無污染。