碳纤维增强铜基复合材料表面处理问题

  碳纤维对铜基复合材料的热传导、热膨胀系数、润滑性能都有很好的改善作用,而通过合适的镀层对材料本身强度、界面结合等也有较好的促进效果,所以不少高校都在研究碳纤维镀层配方及工艺,拓展碳纤维在复合材料中的增强效果。

  碳纤维(Cf)/Cu复合材料制备以粉末冶金工艺为主,一般通过机械混合方式得到所需材料,而机械混合状态下,因碳纤维本身范德华力和环境原因,易发生团聚现象,1100℃下碳纤维和铜的浸润角高达140°,即便是高温下两者也无润湿或反应,只能以机械互锁方式结合,承受载荷时易出现碳纤维的拔出、剥离等状况,极大影响材料性能,这也可见Cf/Cu复合材料的界面结合问题尤其突出,可通过碳纤维表面镀层,以镀层成分的反应、扩散等方式改善碳纤维和铜之间的润湿性,对复合材料的导电、导热、抗拉压能力及摩擦磨损等性能都有所提高。通过广角X射线衍射法在高温(1400℃)研究碳纤维特性,发现随温度升高碳纤维石墨化程度升高,石墨片层间距减小,密度增长。而铜基复合材料烧结温度大致在1000℃左右,此温度下碳纤维石墨化情况较轻,因石墨化对材料整体性能的影响不会很严重。

  铜基复合材料中,碳纤维多以镀铜为主。铜镀层与碳纤维的结合为机械结合,既保证碳纤维本身性质的稳定,又改善两者之间的润湿性,同时提高复合材料的摩擦磨损性能,且热处理对镀铜碳纤维整体结构基本无损害。针对铜基复合材料,碳纤维镀层表面是否光滑且厚度均匀有很直接的影响。工业生产碳纤维镀层前需要进行预处理表面改性,包括除胶、粗化、敏化、活化四步,以提高纤维表面亲水性,提高与铜的结合能力。

  采用热氧化改性法,对不同温度处理后的碳纤维进行浸润、拉伸、冲击等测试,表明碳纤维表面浸润性与表面活性官能团和表面形貌有关﹐活性官能团的增加更有利铜颗粒的沉积,表面形貌的改性增强了铜与碳纤维的结合强度,且在热氧化温度达300℃时化学镀铜效果最好。在碳纤维高温除胶处理后,直接配置胶体铜活化液进行活化预处理,简化了预处理中敏化、活化工艺,降低了生产成本。

  相对于化学镀,电镀更适用于长纤维,在空气中400℃条件下对碳纤维进行高温氧化处理,O/C原子比高达42.83%,Cu的电沉积效应是施加电压下电镀液与碳纤维表面官能团还原反应的相互作用,故官能团的增加直接影响电镀效果。但长纤维镀铜后再剪断使用时,端头没有铜镀层会导致部分碳纤维和铜基体结合效果不佳,严重时会导致材料出现裂纹、脱落等现象;由于电镀时碳纤维易聚集干扰电场线,也时常出现“黑心”、“结块”现象。而短纤维电镀工艺还不太成熟,极易发生镀层不均匀,需要寻找新的工艺来解决此问题。

  无论是电镀还是化学镀,预处理工艺复杂,碳纤维分散性差,镀层厚度和均匀性等问题依然存在。虽然在这方面做了大量工作且取得了一定效果,但仍没能从根本上解决镀层过程中镀层质量不稳定的因素。

  碳纤维经过表面镀铜处理后与基体结合紧密,团聚现象有所降低,在烧结压制中碳纤维本身得到了良好的保护,而未镀铜碳纤维在烧结中易氧化,稳定性变差,与基体结合不紧密,在电镜下能看到组织断裂和孔洞的出现。镀镍碳纤维铜基复合材料除导电性外,耐磨性能相比镀铜碳纤维铜基复合材料好;由于Ni和碳纤维会发生相互扩散导致纤维石墨化,镀镍碳纤维能与碳纤维结合得更紧密,相应提高复合材料抗拉强度和硬度,但对碳纤维造成了一定程度的破坏,热处理时镍表面会出现瘤状碳;所以后来以Cu/Ni双镀层的方式,高温下使碳纤维结构轻微石墨化但外部铜镀层又能降低碳纤维的结构变化,能保证界面扩散结合。研究人员观察碳纤维-铜基复合材料磨损表面,发现试样表面形成石墨膜,虽然摩擦过程中金属塑性流动使得一些纤维被剥离,但依然具有阻止金属直接接触的效果。

  近年来碳纤维镀层工艺已经有了较大发展,趋向于简便、高效、低成本方面,且部分成果已能很好地实现镀层均匀和厚度可控,但作为增强相用于复合材料中时,如何保证碳纤维在材料内部均匀致密,实现工厂大批量生产应用,还需要进行更多的研究探索。