Vol.37 No.2 Apr.2008 SURFACE TECHNOLO GY
张积桥，杨玉国，朱红
(北京交通大学理学院，北京100044)
[摘 要] 为在碳纤维表面镀一层致密的镍，以扩大具有优良性能的碳纤维的使用范围，采用化学镀镍的方法对碳纤维进行表面改性，就整个施镀过程中至关重要的前期处理步骤进行了详细分析。经SE M和E DS表征分析表明：化学施镀后，碳纤维表面镀有均匀的镀层，镀层成分为N i及P。碱性镀液条件下得O、P、N i的质量比为3∶1∶6。因镀磁性金属镍，增强了碳纤维磁方面的性能，为开发性应用提供了建设性意见。 复乐园
[关键词] 碳纤维；化学镀镍；吸波复合材料；表面改性
[中图分类号]T Q153.3 [文献标识码]A [文章编号]1001-3660(2008)02-0037-03 N i Plating on Carbon Fiber on the Conditi on of A lkali
ZHAN G J i2qiao,YAN G Yu2guo,ZHU Hong量子态隐形传输技术
(School of Science,Beijing J iaot ong University,Beijing100044,China) [Abstract] I n order t o p late dense nickle on carbon fiber t o open the app licati on extent,the surface of carbon fi2 ber by electr oless nickel p lating was modified.The p r ocess and mechanical of electr op lating nickel on carbon fiber were intr oduced.The p rinci p le of nickel p lating,and p r ocess of the technical both were intr oduced.Es pecially,the key ac2 ti on of p retreat m ent of the p r ogress was intr oduced.By SE M and EDS analyses the p lating with N i and P was unif or m. The result shows that the mass rati o of O,P and N i is3∶1∶6.The coated N i can enhance the magnetic p r operties,which p lays the instructive r ole f or the study and usage of the materials.
[Key words] Carbon fibers;Electr oless;W ave abs orbing co mposites;Surface modificati on
0 引 言
碳纤维具有较好的导电性能，可采用多种应用形式与聚合物复合，都有较好的电磁防护性能[122]。易沛[3]发现适量镀镍后的碳纤维有较好的电磁防护性能，吸波性能较裸纤维的好且有一极大值，而且镀镍碳纤维布在Ku波段(12.0～18.0GHz)的吸波性能优于在X波段(8～12.0GHz)的吸波性能。镀金属碳纤维可调整材料的电磁参数，其中主要是复数介电常数，它可显著改善单一涂层对电磁的防护性能
和拓宽吸收频带，对于高性能的多层复合涂层的设计、研制具有重要的意义。碳纤维自身具有优良的导电性能，但是在早期研究中，碳纤维只是作为树脂增强体加入，将碳纤维改性后再添加其它物质作为吸波、透波层是当今电磁防护材料主要的发展方向之一[425]。镀磁性金属于碳纤维表面，还可进一步增强碳纤维的使用范围[6]。因此，本文采用化学镀在碳纤维表面镀磁性金属镍，并分析了镀层成分。
1 试 验
1.1 试验原料
碳纤维是日本T ORAY生产的T300B，所使用的试剂为分析
[收稿日期]2007-10-18
[作者简介]张积桥(1982-)，女，宁夏中卫人，在读硕士，主要从事碳纤维吸波材料的研究。纯级别。
1.2 工艺流程
碳纤维镀镍的工艺流程大致如下：碳纤维去胶→除油→水洗→粗化→水洗→中和→水洗→敏化→水洗→活化→水洗→还原→水洗→化学镀镍→水洗→烘干。
1.2.1 前处理
需进行化学镀的镀件一般不溶于水或者难溶于水。化学镀工艺的关键在于预处理，预处理的目的是使镀件表面生成具有显著催化活性效果的金属粒子，这样才能最终在碳纤维基体表面施镀金属镀层。由于镀件微观表面凸凹不平，必须进行严格的镀前预处理，否则易造成镀层不均匀，镀层与碳纤维结合力差，甚至难于施镀的后果。主要包括以下步骤:
1)去胶
去胶是除去附在碳纤维表面的有机杂质和脏物，以保证后道工序中镀液的稳定性和提高镀层的结合力。采用高温灼烧法是将纤维束放入马弗炉内灼烧，去掉碳纤维表面的有机粘结剂。其最佳去胶条件为:400℃，灼烧30m in。
2)除油
阿里木事迹除油条件:50～60g/L氢氧化钠、15g/L碳酸钠、30g/L磷酸钠、3～5g/L6501清洗剂(椰油酰基二乙醇胺)，温度40～50℃，时间30～40m in。
除油后，必须多次清洗，并在稀硫酸中浸泡1次以中和残余的碱，避免带入下一步影响粗化液的使用寿命。
73
张积桥等 碱性条件下碳纤维镀镍
3)粗化
使得碳纤维表面呈现微观的粗糙，增大金属镀层与碳纤维
的接触面积，并使碳纤维表面由憎水体变为亲水体，增强镀层与
基体的结合力。
粗化条件:200g/L过二硫酸铵、100mL/L硫酸(d=1.84g/
c m3)，室温，时间15m in。
4)中和
用10%的Na OH溶液中和粗化后残留在碳纤维表面低凹
处的酸，避免残留的酸对敏化液的影响。
5)敏化
使碳纤维表面吸附一层易氧化的物质，在活化处理时，活化
剂被还原形成催化晶核，留在碳纤维的表面，使得以后的化学镀
可以在这些表面上进行。
敏化条件:10～20g/L氯化亚锡、40～50mL/L盐酸(d=
1.19g/c m3)，锡条或锡粒，室温，时间3～5m in。其原理为:
SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl+Cl-+H+
SnCl2+2H2O→Sn(OH)2+2H++2Cl-
反应生成的Sn(OH)Cl和Sn(OH)
2
流鬼国结合，生成微溶于水的
凝胶状物Sn
2(OH)
3
Cl吸附于碳纤维表面。
6)活化
将敏化处理后的碳纤维浸入含有催化活性的贵金属溶液中，进行再处理，使得碳纤维表面生成一层具有催化活性的贵金属层。
卢凤娟活化条件:0.5g/L氯化钯、10～15mL/L盐酸(d=1.19g/ c m3)，室温，时间3～5m in。其原理为:
Pd2++Sn2+→Sn4++Pd
敏化和活化时必须进行强力搅拌，使得碳纤维得到均匀的处理，保证后续的镀层均匀、无漏镀。
7)还原
将经过活化处理后残留在碳纤维表面的氯化钯进行还原，防止其被带入镀液，导致镀液不稳定。还原时，将经过活化处理的碳纤维浸入10～30g/L的次磷酸钠溶液中，室温搅拌1m in即可。
1.2.2 施镀
镀液配方:35g/L六水硫酸镍、30g/L次亚磷酸钠、60g/L焦磷酸钠、适量三乙醇胺,pH值9.5～10.5，温度60℃。
化学镀原理为:
1)化学镀沉积N i2P合金是在金属的催化作用下发生氧化还原反应，次亚磷酸根在水溶液中脱氢而形成亚磷酸根，同时放出初生态原子氢。
H2P O-2→P O-2+2[H]
P O-2+H2O→HP O2-3+H+
或H
2
P O-2+H2O→HP O2-3+H++2[H]
2)初生态原子氢被吸附在催化金属表面上使其活化，使镀液中的镍离子还原，在催化金属表面上沉积金属镍。
N i2++2[H]→N i+2H+
3)在催化金属表面上的初生态原子氢使次亚磷酸根还原成磷；同时，由于催化作用，次亚磷酸根分解，形成亚磷酸和分子态氢。
南极条约
H
2
P O-2+[H]→H2O+OH-+P
H2P O-2+H2O→H[HP O3]-+H2
因为镍盐被还原，次亚磷酸盐被氧化，可以得出总反应式为:
N i2++H2P O-2+H2O→HP O2-3+3H++N i
4)镍原子和磷原子共沉积，并形成镍磷合金层:
N i+P→N i2P(合金)
1.3 测试
利用冷场发射扫描电子显微镜S B2154(SE M)观察施镀后的碳纤维形貌，并与原裸碳纤维形貌作对比，观察包覆情况。并利用E DS成分分析仪器分析镀层成分。
2 结果及讨论
2.1 碳纤维上镀层的形貌分析
对原碳纤维在相同条件下进行前处理后，在不同配方的化学镀液中进行施镀，对金属镀层进行了扫描电镜观察。图1为在104倍的放大倍数下化学镀镍层的扫描电镜图，图1a和图1b 为不同部位的表面形貌，可以清楚地看到镀层中的颗粒。从图1a可以看出，碳纤维表面的镀层状况良好；图1b为故意破坏的碳纤维末端镀层的断面结构，仍可以看出镀层良好，原来光滑的碳纤维表面明显镀有一薄层均匀连续的磁性金属，厚度为1μm 左右
。
图1 不同部位纤维镀层扫描电镜图
Figure1SE M of the carbon fiber with different magnificati ons
2.2 EDS能谱图表征
将施镀好的碳纤维去掉镀层，测其化学组成进行分析，结果见图2。从图2可以看到，内部为实心的碳纤维，主要由C组成。镀金属薄膜后的碳纤维除有C外，在图3中有N i和P元素沉积在碳纤维表面，从而达到试验所要求的结果。由于以NaH2P O2・H2O为还原剂，因而会有一定量的P存在，且有文献解释P含量在8%以下可以促进甚至强化碳纤维的电磁屏蔽效果[7]。数据显示碱性镀液条件下得O、P、N i质量比为3∶1∶6。
3 结 论
通过化学镀镍的方法对光滑的碳纤维进行表面改性，表面镀有均匀连续的N i2P的磁性金属，厚度为1μm左右。经SE M 表征分析，化学镀后，碳纤维表面镀有均匀的镀层，镀层成分为N i及P。进一步E DS表征分析可知，在碱性镀液条件下得O、P、N i的质量比为3∶1∶6。为后续的材料制备有指导和基础性的研究价值。
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第37卷 第2期 2008年4月 表面技术
Vol.37 No.2 Apr.2008 SURFACE TECHNOLO
GY
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(上接第22页)
物瞬间断裂。而且化学镀织物的拉伸性能主要受镀层厚度的影响。镀铜织物(增重率130.4%)的初始模量为374.494M Pa，拉伸应变为28.52%，比镀银织物相应指标明显增大，主要是因为镀层厚度增加的缘故。
图5 织物拉伸曲线
Figure5The relati onshi p bet w een stress and el ongati on of fabric
3 结 论
1)涤纶织物化学镀铜2银后，热分解温度有所下降，镀层所占质量分数和实测织物的增重率基本接近。
2)当增重率相同时，镀铜2银织物的电磁波屏蔽效能明显好于镀铜织物；镀层的致密性和金属成分对电磁波屏蔽效能影响显著。
3)化学镀涤纶织物的拉伸曲线兼有金属和纤维的拉伸特性。在拉伸起始阶段主要表现出金属的拉伸特性，在拉伸后期才表现出纤维的受力特征。镀层厚度对拉伸性能影响显著。
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专利名称：电弧蒸发装置
专利申请号:028******* 公开号:C N1539154
申请日:2002206204公开日:2004210220
申请人：瑞士2普拉斯股份有限公司；赫伯特M・加百利本发明的电弧蒸发装置包括一个阳极、一个起阴极作用的靶、一个连接在该阳极和阳极上的用来在靶表面
产生电弧斑点的电压源，以及一个设置在靶下面的包括
内、外环形线圈的磁性装置，用来产生一个影响靶表面上
电弧运动的磁场。为了电弧在规定的轨道上可在靶表面
的大部分区域运动，建议磁性装置的至少一个环形线圈
配置一个在靶表面的区域内影响该环形线圈磁场的高相
对磁导率(μ
r
>>1)的元件。
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