文章编号：１００１－９７３１（２０１３）增刊（Ⅱ）－０２６４－
＊
双模具徐先锋１，２
，洪龙龙１，肖 鹏２，李 辉１
（１．华东交通大学机电工程学院，载运工具与装备重点实验室，江西南昌３３００１３；
２．中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙４１００８３
镀镍，通过控制镀镍时间来控制炭纤维表面镀镍颗粒的大小、形态和数量。利用扫描电子显微镜对电镀镍和化学镀镍的炭纤维表面进行微观形貌分析，观察发现两种镀镍方式镍的生长方式是不同的，其中电镀镍中，镍以颗粒状形式生长，而化学镀镍以层片状生长；利用能谱仪对试样进行成分分析，结果表明，
电镀炭纤维表面获得镍单质颗粒，而化学镀获得镍磷的合金ＮｉＰ２颗粒。关键词： 炭纤维；电镀镍；化学镀镍；镍单质；镍磷合金中图分类号： Ｔ
Ｂ３３２文献标识码：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１３．增刊（Ⅱ）．０２０１ 引 言
炭纤维（ｃａｒｂｏｎ
ｆｉｂｅｒ，ＣＦ）增强炭基复合材料（Ｃ／Ｃ复合材料）
是以炭（或石墨）纤维为增强相，炭（或石墨）为基体，通过加工和炭化处理制成的全炭质复合材料，
脱硫塔内衬防腐具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、隔热优异和低密度等优异特性，故能作为新型的高性能结构、功能复合材料。但炭纤维和基体的润湿性差，纤维和基体的热膨胀系数的差异较大，且在炭纤维增强复合材料中，因为制备过程中较高的温度和压力可能造成炭纤维的损伤，进而影响复合材料的力学性能，故在炭纤维表面预先沉积一定厚度的金属基体，用以减少制备过程中炭纤维的损伤，同时改善炭纤维和基体的润湿性，增强界面结合强度，从而改善复合材料的性能［
１］
。目前炭纤维表面镀镍大致分为物理方法和化学方法两大类。物理方法包括离子溅射法、真空蒸镀法、金属粉末喷涂和金属涂敷法等；化学法主要采用化学镀和电镀。其中电镀法具有操作温度低、设备简单、成
本低、可连续生产等特点［２］
；化学镀具有镀层厚度均匀、针孔率低等优点，都是最有应用前景的方法之
一［３］。高家诚等［４］
对炭纤维表面化学镀镍的工艺进行
了研究，并提出了镍层沉积机理；吕晓轩等［５］
采用电镀对炭纤维进行镀镍处理，发现镀镍炭纤维的导电性和
抗氧化性能得到了明显提高，电阻率降低，起始氧化温度提高。
本文探讨了在炭纤维表面，电镀和化学镀涂敷金属镍的方法，对镀后试样的镀层形貌，晶体结构等进
行了初步的研究。
２ 实 验
２．１ 实验材料和设备
实验采用日本东邦公司生产的ＨＴＡ炭纤维，性能如表１所示。用日本生产的ＪＳＭ－６３６０ＬＡ型扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对炭纤维表面形貌进行观察；采用ＳＥＭ上的能谱分析仪（ＥＤＳ）
进行成分分析，并对镀镍后的炭纤维粉末试样进行Ｘ射线衍射测量，以确定微区元素组成和分布。
表１ ＨＴＡ炭纤维性能
Ｔａｂｌｅ １Ｐｒｏｐ
ｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＨＴＡ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ牌号
直径
（μ
ｍ）碳含量
（％）密度
（ｇ／ｃｍ３）抗拉强度（ＭＰａ）抗拉模量（ＧＰａ）延伸率
（％）ＨＴＡ ７．０ ９６ １．７６ ３９２０ ２３５
１．７
２．２ 镀镍工艺流程
镀镍工艺流程如下所示：
电镀：炭纤维→去胶→氧化→清洗→电镀镍→
清洗→干燥。
化学镀：炭纤维→去胶→氧化→粗化→中和→敏化→活化→还原→清洗→化学镀镀镍→清洗→烘干。２．３ 炭纤维表面去胶及氧化处理
采用有机溶剂法除胶。将炭纤维放入丙酮溶液中浸泡１２～２０ｈ，再在去离子水中超声清洗，在４７３Ｋ干燥箱中干燥４ｈ，得到去胶炭纤维，然后将去胶炭纤维在６５％的硝酸中氧化１５ｍｉｎ，
用去离子水超声清洗并烘干。
２．４ 镀镍工艺
电镀采用如图１所示的电镀镍装置，电镀镍采用硫酸镍，浓度为５％左右，采用连续走丝的方法对炭纤维进行电镀。
４
６２２０１３年增刊Ⅱ（４４
）卷＊
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１６５００６）；国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２０１１ＣＢ６０５８０４
）收到初稿日期：２０１３－０４－２３收到修改稿日期：２０１３－０６－２４通讯作者：洪龙龙作者简介：徐先锋 （１９７１－），男，湖北罗田人，博士，副教授，主要从事炭纤维表面改性处理及Ｃ／Ｃ复合材料方面研究。
图１ 电镀镍设备示意图
Ｆｉｇ １Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｐｌａｔｉｎｇ
ｎｉｃｋｅｌ将去胶的炭纤维进行化学镀，其镀液配方按照中
磷（磷含量为７．５％～９％）镀液配方配制［６］
，配方和工艺条件见表２。
表２ 化学镀液配方及工艺
Ｔａｂｌｅ ２Ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｆｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ
Ｎｉ
硫酸镍次磷酸钠醋酸钠柠檬酸钠
硝酸铅ｐＨ值
温度
媒体播放搅拌方式２０
ｇ
／Ｌ３
０
ｇ
／Ｌ３０
ｇ
／Ｌ２５ｇ／Ｌ７ｍｇ
／Ｌ４．５～５
８５～
９５℃超声震荡
３ 结果和讨论
３．１ 炭纤维表面去胶氧化处理效果
硝酸氧化处理前后的炭纤维表面形貌如图２所示。
图２ 炭纤维硝酸氧化前后的ＳＥＭ形貌
Ｆｉｇ
网页更新２ＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ＣＦｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｏｒｅ－ａｎｄ－ａｆｔ ｏｘｉ－ｄｉｚｅｄ ｂｙ
ＨＮＯ３对比图２（ａ）和（ｂ）
可看出，没有经过处理的炭纤维表面非常光滑，
沟槽很浅。氧化处理后，纤维表面沟槽加深且增多，纤维表面粗糙度和比表面积得到增加，
这说明纤维表面杂质和污染物被有效地去除。３．２ 炭纤维表面镀镍效果
炭纤维电镀和化学镀镍后表面微观形貌如图３所
示。图３（ａ）～（ｄ）为电镀镍形貌。从图３（ａ）看出，电镀５ｍｉｎ的试样，Ｎｉ颗粒较少且分散，
直径在几十到几百纳米之间；电镀１０ｍｉｎ后，颗粒增大，直径多在几百个纳米，且几乎布满整个
炭纤维表面。从图３（ａ）和（ｂ
）可以看到，电镀镍颗粒表面有许多细小的枝晶，从图３（ｄ）可以清楚地看到，这些微晶使得电镀的Ｎｉ颗
粒形状像一个带刺的仙人球。电镀２０ｍｉｎ后，Ｎｉ颗粒布满整个纤维表面，且呈无规则的突起，可能结构非
激光发射器
常疏松，在ＳＥＭ下很难聚焦。图３（ｅ）～（ｈ）为化学镀形貌。化学镀５ｍｉｎ后，
镀层较少，呈片状聚集，部分纤维表面裸露；１０ｍｉｎ后，镀层连续，已经覆盖整个炭纤维表面。随时间的延长，表层厚度变大，并出现较大直径的颗粒，镀层呈层状生长和扩展并越来越致密化，有堆积生长的趋势；到２０ｍｉｎ时，镀层已经在表面连续均匀分布，且表层有一些包状凸起。对比电镀镍和化学镀镍炭纤维形貌可以看出，Ｎｉ的生长方式不同，电镀镍主要呈颗粒状生长，而化学镀镍初期呈片状生长，后期呈层状生长。电镀镍在纤维表面分布均匀，Ｎｉ颗粒形状似仙人球，有明显的树枝微晶，在镀镍１０ｍｉｎ时，
颗粒粗大，但树枝晶更加明显。化学镀刚开始时在纤维表面分布不均匀，镍片局部连续分布，片层很薄，但此后生长速度加快，到１０
ｍｉｎ已经布满整个纤维表面，结构致密，并有一定的厚度。
３．３ 电镀和化学镀镍的化学成分分析
选取图３（ａ）和（ｅ）中的矩形区域，利用ＳＥＭ自带的能谱仪（ＥＤＳ）对选区进行元素半定量分析，结果见表３和图４。表３中，电镀镍时只有Ｃ和Ｎｉ元素，
而化学镀镍时还出现了Ｐ元素；从图４（ａ
）只能看到Ｃ和Ｎｉ的能谱峰，而图４（ｂ）中还出现了Ｐ的能谱峰。这说明电镀和化学镀，在炭纤维表面得到的一个是单质
Ｎｉ，一个是Ｎｉ－Ｐ合金。表３ 电镀和化学镀镍后试样选区能谱分析结果Ｔａｂｌｅ ３ＥＤＳ ｔｅｓｔ ｃａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ａｆｔｅｒ ｐｌａｔｉｎｇ
ｏｒ－ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ
ｎｉｃｋｅｌ试样元素（％，质量分数）元素（％，原子分数）Ｃ
Ｎｉ
Ｐ
Ｃ
Ｎｉ
Ｐ
电镀
９４．０１ ５．
９９／
９８．７１ １．
２９／
化学镀８０．９７ １５．９７ ３．０６ ９４．７９ ３．８３ １．
３９５
６２徐先锋等：炭纤维表面电镀镍和化学镀镍研究
图３ 电镀镍和化学镀镍炭纤维表面微观形貌
Ｆｉｇ ３ＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ＣＦｓ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ
Ｎ
ｉ图４ 电镀和化学镀镍试样微区元素能谱分析谱线Ｆｉｇ ４ＥＤＳ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ａｆｔｅｒ ｐｌａｔｉｎｇ
ｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓｐｌａｔｉｎｇ
ｎｉｃｋｅｌ图５为炭纤维电镀镍和化学镀镍后粉末ＸＲＤ图
。
图５ 炭纤维电镀镍和化学镀镍后粉末ＸＲＤ图
Ｆｉｇ ５ＸＲＤ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ａｆｔｅｒ ｐｌａｔｉｎｇ
ｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓｐｌａｔｉｎｇ
ｎｉｃｋｅｌ６
６
２２０１３年增刊Ⅱ（４４
）卷
图５（ａ）表明炭纤维电镀后，表面的颗粒是Ｎｉ的
单质，而图５（ｂ）表明炭纤维化学镀后，表面的颗粒是镍磷的合金ＮｉＰ２，这和ＥＤＳ能谱分析
结果一致。因为单质的Ｎｉ是面心立方晶体结构，具有很好的催化活性，而ＮｉＰ２催化活性要比单质镍差，这为以Ｎｉ颗粒为催化剂，在炭纤维表面生长纳米纤维提供了思路和理
论支持［
７］
。４ 结 论
（１） 经过硝酸氧化处理，
炭纤维表面沟槽加深，表面粗糙度和比表面积增加，纤维表面杂质得到有效去除。
（２） 炭纤维表面电镀镍和化学镀镍的生长方式不同，电镀镍主要是呈颗粒状生长，分布均匀，镍颗粒
形状似仙人球，
有明显的树枝微晶。而化学镀镍初期呈片状生长，分布不均匀，后期呈层状生长，并有一定
厚度。
（３） 电镀镍后，
炭纤维表面的颗粒是Ｎｉ的单质，而化学镀后，表面的颗粒是镍磷的合金ＮｉＰ２。形成的
单质Ｎｉ，为以Ｎｉ颗粒为催化剂在炭纤维表面生长纳米纤维，提供了思路和理论支持。
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Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ
Ｎｉ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓＸＵ Ｘｉａｎ－ｆｅｎｇ１，
２，ＨＯＮＧ Ｌｏｎｇ－ｌｏｎｇ１，ＸＩＡＯ Ｐｅｎｇ２，
ＬＩ Ｈｕｉ １
（１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ
ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ
３３００１３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
ｆｏｒ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＨＴＡ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ ｗｅｒｅ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ Ｎｉ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｅｄ Ｎｉ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｉｚｅ，ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ Ｎｉ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｐｌａｔｉｎｇ Ｎｉ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｎｉ ｃｏａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ
ＳＥＭ．Ｉｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓｐｌａｔｅｄ Ｎｉ ｗａｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ Ｎｉ ｇｒｅｗ ｗｉｔｈ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ Ｎｉ ｇｒｅｗ ｗｉｔｈ ｌａｍｅｌｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ＥＤＳ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎＮｉ ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｅｌｅｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ＮｉＰ２ａｌｌｏｙ ｐａｒｔ
ｉｃｌｅｓ ｏｎ ＣＦ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ Ｎｉ；ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ Ｎｉ；Ｎｉ ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ
smartthreadsｓｕｂｓｔａｎｃｅ；Ｎｉ－Ｐ ａｌｌｏｙ７
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