碳纤维表面涂层制备研究

论文摘要

碳纤维增强金属基复合材料具有高的比强度、比模量、耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性等优点,在航空航天、汽车等领域中具有巨大的应用前景。然而,碳纤维与金属液的湿润性差,妨碍了碳纤维与金属的直接复合。同时,碳纤维在高温下易与金属发生化学反应,降低复合材料的性能。因此,制备碳纤维增强金属基复合材料的关键问题是如何解决碳纤维与金属的相容性,在碳纤维与金属液复合之前,预先在碳纤维表面上涂覆一层金属或陶瓷氧化物,既可以改善碳纤维与金属液的润湿性,又能防止相互间直接发生反应,保护碳纤维。碳纤维表面涂层制备的研究很多,其中化学镀和溶胶凝胶法由于其工艺简单、成本低廉、容易操作等优点而被广泛应用。本论文对碳纤维表面涂层技术的发展、在军事航天方面的应用以及国内外的研究动态进行了论述,并在碳纤维脱胶工艺中,引入了超声波技术对化学溶剂法进行优化,通过SEM观察碳纤维的形貌,单丝之间没有粘连的现象,分散均匀。通过对碳纤维表面化学镀镍的工艺过程的反应机理、配方、工艺条件等进行了研究,得到了化学镀镍的最优工艺参数及工艺条件,成功的得到了均匀致密、光亮、结合力好的镍镀层。并在此基础上,得到了镀层厚度与施镀时间的线性关系,即随着施镀时间的增加,镀层厚度也随之增厚,因此镀层厚度就可以通过调节反应时间来进行控制。采用Sol-Gel法在碳纤维表面制备了SiO2涂层。采用金属醇盐正硅酸乙脂为先驱体配制Si02溶胶。先驱体的水解程度影响涂层的结构,而溶胶配制的工艺参数影响溶胶的涂覆过程,本文通过正交实验确定了最佳的溶胶配制参数。除此之外,涂层的质量还受纤维提拉速度与烧结速率的影响,提拉速度越快,涂层的厚度就越厚,烧结的速率过快会使涂层开裂甚至脱落。通过控制这些参数制备出的涂层均匀,与纤维结合紧密,不开裂；碳纤维之间不黏结,分散性好。碳纤维表面的SiO2涂层改善了C和金属之间的润湿性能,而且提高了碳纤维的抗氧化能力（提高幅度达200—300℃）。经过2次涂覆,涂层厚度为50-100nm,SiO2涂层碳纤维的拉伸强度分别降低了10%和9%；继续增加涂层的厚度,纤维强度会显著的下降。该工艺过程简单,容易操作,而且无污染,成本低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纤维概述
• 1.1.1 碳纤维的定义、制备及分类
• 1.1.2 碳纤维结构与主要性能
• 1.1.3 碳纤维的发展概况
• 1.1.4 碳纤维增强复合材料的发展应用
• 1.2 碳纤维表面结构与形态
• 1.2.1 碳纤维的表面形态结构
• 1.2.2 碳纤维的比表面积和表面粗糙度
• 1.2.3 碳纤维的表面化学结构
• 1.2.4 碳纤维的表面润湿性与表面能
• 1.3 碳纤维表面改性方法
• 1.3.1 氧化处理
• 1.3.2 涂覆处理
• 1.3.3 射线、辐射、等离子处理
• 1.4 论文的研究意义及主要内容
• 第二章 材料及实验方法
• 2.1 实验用材料与设备
• 2.1.1 实验用材料
• 2.1.2 实验用设备
• 2.1.3 实验用药品
• 2.2 纤维的表面预处理
• 2.2.1 脱胶工艺研究
• 2.2.2 粗化工艺的研究
• 2.3 化学镀镍碳纤维涂层的制备
• 2.3.1 制备工艺及流程
• 2.3.2 镀镍涂层的表征
• 2.4 溶胶凝胶法制备碳纤维二氧化硅涂层
• 2.4.1 实验工艺及流程图
• 2.4.2 二氧化硅涂层的表征
• 2.5 复合工艺
• 第三章 碳纤维表面预处理的研究
• 3.1 脱胶工艺的研究
• 3.2 粗化工艺的研究
• 第四章 碳纤维表面镍涂层的制备
• 4.1 化学镀镍原理
• 4.1.1 化学镀镍的热力学
• 4.1.2 化学镀镍的动力学
• 4.2 化学镀速的影响因素
• 4.2.1 pH的影响
• 4.2.2 施镀温度的影响
• 4.3 化学镀层形貌的影响因素
• 4.3.1 pH的影响
• 4.3.2 施镀温度的影响
• 4.3.3 施镀时间的影响
• 4.3.4 搅拌的影响
• 4.4 化学镀镍层结合强度的研究
• 4.4.1. 结合力的测试
• 4.4.2 影响结合强度的因素分析
• 4.5 镀镍碳纤维抗拉强度的研究
• 4.6 CF/镁复合材料微观组织形貌分析
• 4.7 碳纤维镀镍成膜机理的研究
• 第五章 碳纤维表面二氧化硅涂层的制备
• 5.1 溶胶凝胶法原理
• 5.2 工艺参数对二氧化硅涂层的影响
• 5.3 工艺条件对二氧化硅涂层的影响
• 5.3.1 溶胶的涂覆
• 5.3.2 溶胶的烧结
• 5.4 涂层形貌及元素与深度分布的分析
• 5.4.1 SEM形貌分析
• 5.4.2 EDS能谱分析
• 5.4.3 XPS元素及深度分析
• 5.5 抗氧化性测试
• 5.6 抗拉强度测试
• 5.7 CF/镁复合材料微观形貌分析
• 5.8 碳纤维涂覆二氧化硅成膜机理的研究
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢