短碳纤维表面处理新工艺及其在铝基、铜基复合材料中的应用研究

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1、上海交通大学博士学位论文短碳纤维表面处理新工艺及其在铝基、铜基复合材料中的应用研究摘要碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电、导热、低膨胀和自润滑等优异的综合性能，是一种应用非常广泛的复合材料增强体。与连续碳纤维相比，短碳纤维具有价格低廉、相应的复合材料性能各向同性及制备工艺简单等优点，使短碳纤维复合材料的研究备受关注。短碳纤维增强金属基复合材料在航天航空、电子工业等领域具有十分广阔的应用前景，尤其是增强铝基、铜基、镁基、镍基复合材料等。但碳纤维与许多金属在高温下发生有害的化学反应和它们之间的润

2、湿性差等，严重限制了短碳纤维／金属复合材料中的应用发展。对碳纤维进行表面涂层处理是改善其界面的有效途径，国内外已有很多的研究报道，但对短碳纤维来说，一般的涂层工艺如气相沉积、化学镀等工艺成本高、繁琐复杂。因此开发一种工艺简单，且易于控制的短碳纤维表面涂层新方法显得尤为重要。本论文工作以研究短碳纤维的表面处理新工艺为目标，对短碳纤维的非金属涂层的制备、金属化新工艺等进行了有益的开发研究；将得到的涂层短碳纤维应用到金属基(铝基、铜基等)复合材科中，探讨了涂层对铝与碳纤维界面的影响，研究了短碳纤维及混杂增强铝基复

3、合材料、短碳纤维增强铜基复合材料的制备和性能等。主要研究内容及结论如下：研究了硝酸盐法制备氧化铝涂层的工艺，即利用硝酸铝和氨水作为反应物，控制水解和热处理工艺在短碳纤维表面获得—舢203涂层。结果表明，最佳溶胶．凝胶制备工艺参数为：水解温度为90℃，用0．025mol／L的HN03作为胶溶剂，干燥温度为50℃。热处理的升降温速度1℃／min即从室温到1100℃再降到400℃，分别在200、700、1100℃时各保温2h，降到400℃之后随炉冷却。对氧化铝凝胶的相变过程研究发现，700℃左右7-A1203生成

4、；800℃开始有T．AJ203晶型向a-A1203的转变：1000℃左右完全转变为日．A1203。本实验得到的氧化铝涂层厚度为200nm左右。在传统电镀工艺基础上，根据短碳纤维自身的特点，如具有导电性、易于相互缠绕搭接等，研究开发了短碳纤维金属化新工艺，结果表明该工艺简单实用，镀层均匀、可控，且适用于各种常见的电镀金属工艺，得到的电镀沉积物呈疏松上海交通大学博士学位论文多孔状结构或平面网状结构。在疏松多孔状沉积物电镀工艺(LIE)中，电镀镍时，电流密度的范围为2．0-4．5A／dm2之间，镀层厚度2．5—1

5、6pm之间可控；电镀铜时，电流密度的适用范围为1．肛4．5A／din2，可以得到1．5～14pro的铜镀层。在平面网状沉积物电镀工艺(PNE)中，在电镀镍时，电流密度的范围为：0．5．2．0A／din2之间，可以得到1．5-9pm之间均匀的镍镀层；电镀铜时，电流密度的适用范围为1．5-3．0A／dm2，可以得到2-9／zm左右的铜镀层。在上述短碳纤维表面处理工艺研究的基础上，重点研究了氧化铝涂层短碳纤维增强铝基复合材料的界面特征的影响，并对比了无涂层、镀镍、镀铜等处理过的短碳纤维铝基复合材料：研究发现：无涂

6、层的短碳纤维／铝复合材料界面有严重的界面反应，碳纤维表面生成A14C3；镀镍、镀铜等金属涂层提高了铝与碳纤维的润湿性，保护了短碳纤维，阻挡了铝与短碳纤维问的界面反应，但镍、铜等与铝在界面或基体中分别生成有害的化合物。如～3Ni、CuAl2等相，它们的生成导致了复合材料性能的下降；氧化铝涂层复合材料中的界面干净、结合良好，氧化铝与纤维、与铝均无反应发生，很好的保护了短碳纤维，复合材料表现出较好的力学性能。将界面结合较好的氧化铝涂层短碳纤维应用于铝基复合材料中，用真空压力浸渗的方法制备了短碳纤维及混杂碳化硅颗粒

7、增强铝基复合材料。对其性能的研究发现，短碳纤维、碳化硅的加入，提高了材料的硬度，硬度值随增强物含量的增加而增加，其中碳化硅对硬度的影响要大于短碳纤维。随着短碳纤维、碳化硅含量的增加，复合材料的热膨胀系数、导热和导电性能有不同程度的下降。采用屏显式端面磨损试验机系统研究了铝基复合材料的干摩擦磨损性能。研究表明：短碳纤维的加入降低了铝基复合材料的摩擦系数，提高了耐磨性能：随短碳纤维含量的增加，复合材料的摩擦系数、磨损率而降低；混杂铝基复合材料具有很好的耐磨性能，随碳化硅含量的增加，混杂复合材料的摩擦系数增加，而

8、磨损率降低：载荷和转速增加后，将提高短碳纤维及混杂增强铝基复合材料的摩擦系数、磨损率等。在100N、100r／min时，当短碳纤维含量由O％增加到40％时，材料摩擦系数由0．6降低到0．27；当碳化硅含量从0％增加到15％时，混杂复合材料摩擦系数由0．27增加到O．83。在摩擦过程中，铝合金主要发生粘着磨损和氧化磨损，短碳纤维，铝复合材料主要发生磨粒磨损，混杂复合材料主要是磨粒磨损和氧化磨损。将LPE工艺得到的镀