表面科学与技术董泽鹏.doc

《表面科学与技术》课程作业 班级，学号：11，姓名：董泽鹏,联系电话碳纤维表面镀铜及其镀液稳定性 摘要：本文以碳纤维表面镀铜问题，针对碳纤维具有疏水性难以在其表面上直接镀铜的特点，研究了碳纤维的表面改性处理，研究了影响化学镀铜溶液稳定性的因素查找碳纤维镀铜的几种不同方法，及其镀液的稳性，然后查找碳纤维表面的几种金属化处理，对比分析他们的优点和缺点。 关键词：碳纤维；表面处理；镀铜；镀液稳定性 一，镀铜种类 碳纤维由于具有高的比强度、比弹性模量、耐高温等优良性能，越来越受到世人的重视.特别由于近年来生产工艺的改善，大大降低了其生产成本，使之成为复合材料中主要的增强材料。但在与金属基体复合时，碳纤维与金属熔体温润不良，为了改善碳纤维与基的润湿性，提高界面结合力，需要对碳纤维表面进行金属化处理。 碳纤维表面金属化常用的方法有气相沉积、电镀和化学镀等，而化学镀是一种简单易行 的改善碳纤维表面特性的方法。用化学镀铜的方法对其进行表面金属化，在对碳纤维进行表面金属化(镀铜)之前，必须对其表面进行预处理，不过影响了影响化学镀铜溶液稳定性的因素也有很多。 化学镀是一种不需要通电,依据氧化还原反应原理,利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。其以甲醛作还原剂,污染环境.以环保型还原剂次亚磷酸钠代替甲醛,加入各种不同的稳定剂在碳纤维表面进行化学镀铜,获得了具有一定厚度、均匀、光亮的铜镀层.研究了镀液pH值、温度及还原剂、配位剂、稳定剂用量对化学镀铜溶液稳定性和碳纤维增重率的影响,确定了新的镀铜配方.用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱、冷热循环处理等手段,分析了化学镀铜层的微观形貌、结构及成分.结果表明,通过此新型的环保镀液配方和工艺条件,可获得光亮、致密、均匀及含铜量较高的镀层。其原理以甲醛为例:以甲醛作还原剂的化学镀铜溶液是碱性的,为防止铜离子形成氢氧化物沉淀析出,镀液中必须加入络合剂,以使铜离子成为络离子状态。加入稳定剂:在化学镀铜的过程中,除铜离子在催化表面进行有效的氧化还原反应,被甲醛还原成金属铜之外,还存在许多副反应。主要的副反应包括: 康尼查罗反应:2HCHO+OH-→CH3OH+HCOO- 非催化型反应:2Cu2++HCHO+5OH-→Cu2O↓+2HCOO-+3H2O 通过该反应氧化亚铜的微粒被还原出来,此后,氧化亚铜又可能被进一步还原成微粒铜,即: Cu2O+2HCHO+2OH-→2Cu↓+2HCOO-+H2↓+H2O 这些副反应不仅消耗了镀液中的有效成分,而且产生的氧化亚铜以极细微的粉末悬浮在镀液中,很难用过滤除去,容易引起镀液分解,若与铜共沉积,则得到的铜沉积层疏松粗糙,与基体结合力差。 碳纤维镀铜前的表面处理的重要性及其处理方法：镀铜碳纤维的铜镀层是以机械嵌合的方式和碳纤维结合在一起的。镀铜时,析出的铜原子极易在碳纤维表面富集,而且首先是在碳纤维表面的沟槽内沉积,因此碳纤维表面的粗糙度在很大程度上影响了镀层与碳纤维的紧密结合程度。未经表面处理的碳纤维表面呈疏水性,电镀时会在表面呈现黑斑,因此必须对碳纤维进行表面处理。提高碳纤维表面活性的方法较多,(1)采用丙烯酸和硫酸混合液为接枝液体,放入待改性的碳纤维,保证液体将碳纤维完全浸没;然后缓慢地加入高锰酸钾溶液,加入前后保持溶液不变色,进行接枝反应;(2)将反应后的碳纤维从溶液中取出,用去离子水反复冲洗数次,再放入沸水中煮沸,烘干。该方法操作简单,成本低廉,且对环境无污染,便于工业化。 化学镀特点：化学镀是无电沉积镀层,选择合适的化学镀溶液,将被镀工件表面去除油污后直接放入镀液中。根据设定的厚度确定浸镀的时间即可。化学镀优点是:①工艺简单,适应范围广,不需要电源,不需要制作阳极,只要一般操作人员均可操作;②镀层与基体的结合强度好;③成品率高,成本低,溶液可循环使用,副反应少;④无毒,有利于环保;⑤投资少,数百元设备即可,见效快。相对化学镀而言，电镀就没有化学镀那么多有优点，它的优点就是基本上消除了“黑心”现象。电镀是研究了碳纤维表面进行镀铜处理的镀液组分及工艺条件。电镀前先在马弗炉中600～800℃下对碳纤维进行氧化处理。镀液采用水浴加热,温度控制在35～40℃,电流密度为0.5～2.5A·dm-2,最佳pH值为9.0±0.5。采用本实验工艺在碳纤维表面镀铜,效率高,镀层均匀,厚度为1.5～2.0μm,基本上消除了“黑心”现象。。该溶液最大的缺点就是不稳定,短时间内就会失效。 电镀还有另一种方法叫做单脉冲电镀铜， 碳纤维电镀是利用电解方法对碳纤维表面进行加工的一种工艺。电解时将碳纤维作为阴极,镀液中