碳纤维表面电镀镍的界面形成机制及结构控制
碳纤维具有低密度、低热膨胀系数、高比模量等一系列优点,在复合材料领域里有广泛的应用.制备性能优良的表面金属化碳纤维,是拓展碳纤维应用的一个很重要的途径.本论文对碳纤维表面电镀镍进行了研究,对电镀过程中镍颗粒的生长模式及其影响因素进行探讨,并对镀镍碳纤维的各种性能进行考察,揭示了碳纤维表面镍镀层的生长机理及其影响因素.并且将碳纤维表面阳极氧化与电镀镍结合起来,讨论分析了碳纤维表面改性对电镀镍的影响,探索商品化原料制备高性能的镀镍碳纤维的可行性,为碳纤维的广泛应用探索新的途径.
本论文主要进行了如下工作:
1.研究了未表面处理碳纤维的电镀镍工艺,结果表明:镀层为面心立方体镍晶体,结合强度较好;镀层厚度与电镀时间及电流密度呈线性正比关系;镀层的晶粒尺寸随着电流密度的增加而增加,在电流密度超过0.4A/dm2时趋于稳定,因此选择电镀电流密度小于0.4A/dm2,制得的镀镍碳纤维镀层厚度小于0.4μm.镀镍碳纤维的导电性能和抗氧化性能得到了明显提高,电阻率可降低到0.74*10-6Ω·m,起始氧化温度提高了约100℃.
2.研究了经阳极氧化处理碳纤维的电镀镍工艺.结果表明:经过阳极氧化处理后,碳纤维表面的总酸性官能团数量提高约10倍;碳纤维拉伸强度降低先慢后快;阳极氧化可以改善镀层的生长过程,使镍镀层的生长由(V-W)模式转变为(F-M)模式,并且促使镀层晶粒细晶化,增强了镀层强度,并且提高了镀镍碳纤维的耐腐蚀性、抗氧化性以及镀层与碳纤维的结合力,阳极氧化后镀镍的碳纤维初始氧化温度较(未)氧化的碳纤维提高了约50℃.
3.进行了经阳极氧化处理碳纤维的电镀镍镀层与碳纤维表面化学镀Ni-P的镀层结构和性能比较.结果表明:(1)电镀镍的镀层为面心立方体镍晶体,化学镀层为Ni-P复合镀层,是晶相(β相)和非晶相(γ相)的混合物.电镀镍的镀层生长速率是化学镀Ni-P镀层生长速率的两倍.(2)Ni-P镀层碳纤维的导电性虽然有所提高,但低于经阳极氧化后再镀镍的碳纤维的导电性,其镀层厚度稳定后的电阻率是经阳极氧化后再镀镍的碳纤维电阻率的6倍.(3)化学镀Ni-P碳纤维的Ni-P镀层比经阳极氧化后再镀镍的碳纤维的镀层耐腐蚀性好,镀层中的P使镀层具有自钝化能力,对于提高镀层耐腐蚀性的作用最大.(4)由于化学法镀Ni-P本身成本较高,效率较低,不适于工业化连续生产,并且综合以上对阳极氧化处理后镀镍碳纤维与化学镀Ni-P碳纤维的镀层形貌结构和性能的分析比较,可以得知,阳极氧化处理后镀镍的碳纤维较化学镀Ni-P碳纤维更有利于得到高性能的镀镍碳纤维,更适合工业化生产.
4.研究不同镀层附着量的镀镍碳纤维的氧化行为,结果表明:(1)对于不同镀层附着量的镀镍碳纤维,其镀层在氧化过程中的作用有很大不同.在镀层附着量较低时(2wt%),镀层表现的是镍颗粒的催化氧化作用加快了碳纤维的氧化、烧蚀;在镀层附着量较高时(25wt%),镀层起抗氧化的作用,可以极大减缓碳纤维的氧化,提高碳纤维的起始氧化温度.(2)经过阳极氧化处理后镀镍的碳纤维,体现出相同的规律.并且,在镀层附着量为2wt%时,比未经阳极氧化处理的镀镍碳纤维体现出更低的起始氧化温度,更快的氧化速度;而镀层附着量在25wt%时,比未经阳极氧化处理直接镀镍的碳纤维体现出更好的抗氧化性.
5.研究了碳纤维增强镁基复合材料的界面,结果表明:镍镀层改善了碳纤维与镁的浸润性,提高了界面结合力,使碳纤维增强体与基体镁结合良好.镀镍碳纤维增强镁基复合材料的阻尼在应变振幅的超过某一临界值后,随着应变振幅的增加快速增大;测试温度范围内每一个测试应变频率下复合材料的阻尼性能都随着温度的升高而增加,随着频率的增加其阻尼峰值升高.
- 作者：
- 吕晓轩
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 吕春祥
- 关键词：
- 碳纤维；电镀镍；阳极氧化；晶粒尺寸；氧化机理
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