一种碳纤维表面镀多层金属的方法与流程
本发明涉及碳纤维表面金属化的方法,具体指一种碳纤维表面镀多层金属的方法。
背景技术：
碳纤维具有密度低、强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小等一系列优点，碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面发挥着重要作用,对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义。
但是碳纤维具有乱层石墨结构,其表面粗糙度低,活性官能团少,表面能小,润湿性差,这些不利的因素都限制了碳纤维与其他材料的复合，解决的方法就是碳纤维表面金属化，如在碳纤维表面施加Cu/Co镀层，其增强的复合材料在阻挡层、抗腐蚀、磁屏蔽、微波吸收材料等方面有着重要的应用；施加Ni/Co/Ag镀层，不仅能提高碳纤维的导电性，而且可以提高碳纤维的电磁干扰效能，其增强的复合材料是很好的雷达波干扰材料；施加Cu/Ni镀层，可以有效的改善碳纤维表面活性，同时结合Cu、Ni各自的优点，其增强的铜基复合材料具有较好的界面结合力，被用于电接触材料；施加Ni/Cu/Co镀层，使其具有良好的软磁性能，所制备复合材料在磁屏蔽、磁记录、高密垂直磁记录中，有广阔的发展应用前景。
目前碳纤维表面金属化的方法主要有电镀法、化学镀法、置换镀法、金属粉末喷涂法、离子镀膜法以及溅射法等等；电镀法和化学镀法较为常用；化学镀具有可以获得很多种金属或合金的镀层、镀层成分可调,镀层连续、厚度均匀,设备投资少、成本低等优势，易于批量工业化生产。
碳纤维化学镀之前，要经过敏化、活化处理，使碳纤维表面吸附一定量的贵金属Pd，化学镀过程中需要Pd的诱导反应才能成功的镀上金属镀层；目前，化学镀Cu/Ni双镀层金属的方法主要为：将敏化、活化处理后的碳纤维先化学镀金属Cu，镀完之后的碳纤维表面已经失去了金属Pd，无法直接镀上第二层金属；所以，需要将镀后的碳纤维再进行一次敏化、活化处理，才能镀上第二层金属Ni；由于Pd价格昂贵，且对环境污染严重，所以需要减少对其消耗，上述方法工艺繁琐，且需要两次敏化、活化处理，增加了Pd的消耗；同时由于碳纤维再次进行敏化、活化处理，会造成碳纤维表面粘上杂质，且镀层易被氧化，从而降低施镀的效果。
技术实现要素：
为了解决已有技术存在的问题，本发明提供一种碳纤维表面镀多层金属的方法，步骤和条件如下：
第一步：碳纤维的预处理
（a）除胶：将碳纤维放入丙酮镀液中并超声波震荡1小时，取出后用去离子水清洗，室温晾干；
（b）粗化：将除胶后的碳纤维放入65wt%的硝酸镀液中并超声波震荡1小时后取出，用去离子水清洗至pH值至中性，室温晾干；
（c）敏化：将粗化后的碳纤维放入敏化镀液中，浸泡半个小时，取出后用去离子清洗干净，室温晾干；敏化镀液配比为：SnCl2，20 g/L；37wt%的HCl，40 mL/L；剩余为去离子水；
敏化过程是为了使碳纤维表面吸附一层具有还原性的Sn(OH)Cl胶体；
（d）活化：将敏化后的碳纤维放入活化镀液中，浸泡半个小时，取出后用去离子清洗干净，室温晾干；活化镀液配比为：PdCl2，0.2 g/L；37wt%的HCl，5 mL/L；剩余为去离子水；
活化是为了让碳纤维表面吸附一层金属Pd，Pd是一种很强的催化活性金属，在化学镀金属镀层过程中，金属镀层将会以Pd为中心形核并长大，从而使化学镀过程得以顺利进行；金属Pd的吸附是依靠敏化处理后的碳纤维表面吸附的Sn(OH)Cl胶体将Pd2+还原所得；
第二步：碳纤维化学镀第一层金属
将经过第一步预处理后的碳纤维束加入恒温水浴箱中，在水浴箱中加入相应的化学镀液，将恒温水浴箱加热到相应镀层的化学镀温度，保温10分钟，加入相应镀层的pH调节剂调节镀液pH到相应值，施镀5min后取出，取出的碳纤维立刻放入乙醇镀液中超声波清洗，在烘干箱中烘干；
所述的化学镀第一层金属为Cu、Ni、Co、Ag；化学镀液的配方及化学镀的温度、pH值如下：
化学镀Cu镀液配方为：CuSO4· 5H2O，14-18 g/L；EDTA· 2Na，20-30 g/L；KNaC4H6O6，15-25 g/L；HCHO，12-16 mL/L；其余为去离子水；pH调节剂为50wt%的NaOH镀液，调节镀液pH值为13.5-14；化学镀Cu温度为35℃；
化学镀Ni镀液配方为：NiSO4· 6H2O，25-35 g/L；NaH2PO2· H2O，18-22 g/L；Na3C6H5O7· 2H2O，20-30 g/L；NH4Cl，18-22 g/L；其余为去离子水；pH调节剂为 NH3· H20，调节镀液pH值为8-9；化学镀Ni温度为75℃；
化学镀Co镀液配方为：CoSO4，15-25 g/L；NaH2PO2· H2O，20-40 g/L；Na3C6H5O7· 2H2O，20-35 g/L；其余为去离子水；pH调节剂为NH3· H2O，调节镀液pH值为 8-13；化学镀Co温度为85℃；
化学镀Ag镀液配方为：AgNO3，12-18 g/L；KOH，10-15 g/L；C6H12O6，15-25g/L；C2H50H，40-60 mL/L；KNaC4H6O6，15-25 g/L；其余为去离子水；pH调节剂为NH3· H20，调节镀液pH值为13.5-14；化学镀Ag温度为30℃；
当然，还可以化学镀其他金属；
第三步：碳纤维化学镀第二层金属
取经过第一步预处理后的碳纤维捆扎成束，每束为3000根，碳纤维直径为6-8µm，将该碳纤维束的两端拉直并用宽胶带粘贴在恒温水浴箱箱壁上固定，作为诱导反应碳纤维束，诱导反应碳纤维束长度与水浴箱长度相适应；取第二步化学镀第一层金属后的碳纤维捆扎成束，两种碳纤维束的碳纤维根数和直径相同，诱导反应碳纤维束的长度以第二步化学镀第一层金属后的碳纤维束全部围绕在其上为准，将后者以螺旋的方式围绕在诱导反应碳纤维束上；
在水浴箱中加入化学镀第二层金属相应的化学镀液，将恒温水浴箱加热到化学镀第二层金属相应的温度，保温10分钟，加入化学镀第二层金属相应的pH调节剂调节镀液pH到相应值，待第二步化学镀第一层金属后的碳纤维表面颜色发生变化，说明碳纤维表面开始镀第二层金属，取出诱导反应碳纤维束，余者继续施镀5min取出，取出的诱导反应碳纤维束和镀完第二层金属后的碳纤维束应立刻放入乙醇镀液中超声波清洗，在烘干箱中烘干；取出的诱导反应碳纤维可以多次使用，直到其无法诱导在碳纤维上已经镀上金属层后再继续镀上金属层为止；
所述的化学镀第二层金属为Cu、Ni、Co、Ag；化学镀液的配方及化学镀的温度、pH值与步骤二相同：当然，还可以化学镀其他金属；
第四步：碳纤维化学镀第三层或更多层金属
按照第三步进行。
有益效果：本发明提供一种碳纤维表面镀多层金属的方法，工艺简单，碳纤维镀多层镀层只需要对碳纤维进行一次敏化、活化处理，减少了对贵金属Pd的消耗，减轻了环境污染；同时有效地解决了碳纤维多次次敏化、活化处理时，表层金属被氧化和粘上杂质且降低施镀效果的问题；诱导反应碳纤维与镀金属层碳纤维之间具有吸附性，可以很快诱导镀金属层碳纤维表面沉积下一层金属镀层；诱导反应碳纤维可以多次使用，成本费用低，适于工业规模使用。
附图说明
图1为化学镀Cu镀层后碳纤维表面形貌图。
图2为化学镀Cu/Ni双镀层后碳纤维表面形貌图。
图3为化学镀Cu/Co双镀层后碳纤维表面形貌图。
具体实施方式
实施例1一种碳纤维表面Cu/Ni双镀层的制备方法，步骤和条件如下：
第一步：碳纤维的预处理
（a）除胶：将碳纤维放入丙酮镀液中并超声波震荡1小时，取出后用去离子水清洗，室温晾干；
（b）粗化：将除胶后的碳纤维放入65wt%的硝酸镀液中并超声波震荡1小时后取出，用去离子水清洗至pH值至中性，室温晾干；
（c）敏化：将粗化后的碳纤维放入敏化镀液中，浸泡半个小时，取出后用去离子清洗干净，室温晾干；敏化镀液配比为：SnCl2，20 g/L；37wt%的HCl，40 mL/L；剩余为去离子水；
敏化过程是为了使碳纤维表面吸附一层具有还原性的Sn(OH)Cl胶体；
（d）活化：将敏化后的碳纤维放入活化镀液中，浸泡半个小时，取出后用去离子清洗干净，室温晾干；活化镀液配比为：PdCl2，0.2 g/L；37wt%的HCl，5mL/L；剩余为去离子水；
活化是为了让碳纤维表面吸附一层金属Pd，Pd是一种很强的催化活性金属，在化学镀金属镀层过程中，金属镀层将会以Pd为中心形核并长大，从而使化学镀过程得以顺利进行；金属Pd的吸附是依靠敏化处理后的碳纤维表面吸附的Sn(OH)Cl胶体将Pd2+还原所得；
第二步：碳纤维化学镀Cu
将经过第一步预处理后的碳纤维束加入恒温水浴箱中，在水浴箱中加入化学镀Cu镀液，将恒温水浴箱加热到35℃，保温10分钟，加入pH值调节剂为浓度为50wt%的NaOH，调节镀液pH值为13.5，施镀5min后取出，取出的碳纤维立刻放入乙醇镀液中超声波清洗，在100℃烘干箱中烘干；所述的恒温水浴箱长度为150mm，宽度为100mm，高度为100mm；
化学镀Cu镀液配方为：CuSO4· 5H2O，16 g/L；EDTA· 2Na，25 g/L；KNaC4H6O6，20 g/L；HCHO，14 mL/L；其余为去离子水；化学镀Cu温度为35℃；
通过计算，碳纤维镀Cu厚度为0.5µm，得到的镀铜碳纤维表面形貌如图1所示；
第三步：镀Cu碳纤维表面化学镀Ni
取经过第一步预处理后的碳纤维捆扎成束，每束为3000根，碳纤维直径为6-8µm，将该碳纤维束的两端拉直并用宽胶带粘贴在恒温水浴箱箱壁上固定，作为诱导反应碳纤维束，诱导反应碳纤维束长度与水浴箱长度相适应；取第二步化学镀第一层金属后的碳纤维捆扎成束，两种碳纤维束的碳纤维根数和直径相同，诱导反应碳纤维束的长度以第二步化学镀第一层金属后的碳纤维束全部围绕在其上为准，将后者以螺旋的方式围绕在诱导反应碳纤维束上；
在水浴箱中加入化学镀Ni的化学镀液，将恒温水浴箱加热到75℃，保温10分钟，加入pH值调节剂NH3· H2O，调节镀液pH值为13.5，加入pH值调节剂NH3· H2O，调节镀液pH值为8.5，待第二步化学镀第一层金属后的碳纤维表面颜色发生变化，说明碳纤维表面开始镀第二层金属，取出诱导反应碳纤维，继续施镀5min取出，取出的诱导反应碳纤维和镀完第二层金属后的碳纤维应立刻放入乙醇镀液中超声波清洗，在100℃烘干箱中烘干；
取出的诱导反应碳纤维可以多次使用，直到其无法诱导在碳纤维上已经镀上金属层后再继续镀上金属层为止；
化学镀Ni镀液配方为：NiSO4· 6H2O，30 g/L；NaH2PO2· H2O，20 g/L；Na3C6H5O7· 2H2O，25 g/L；NH4Cl，20 g/L；其余为去离子水；化学镀Ni温度为75℃。
通过计算，碳纤维镀Ni层厚度为0.5µm；得到的Cu/Ni双镀层碳纤维表面形貌如图2所示。
实施例2 一种碳纤维表面Cu/Co双镀层的制备方法，步骤和条件如下：
第一步：碳纤维的预处理，同实施例1；
第二步：碳纤维化学镀Cu，同实施例1；
第三步：镀Cu碳纤维表面化学镀Co，所述的化学镀Co镀液配方为：CoSO4，20 g/L；NaH2PO2· H2O，30 g/L；Na3C6H5O7· 2H2O，28 g/L；其余为去离子水；加入pH调节剂为NH3· H2O，调节镀液pH值为12.5；化学镀Co温度为85℃；其余的同实施例1。
通过计算得到第一层Cu镀层厚度为0.5µm，第二层Co镀层厚度为0.3µm，得到的Cu/Co双镀层碳纤维表面形貌如图3所示。
实施例3 一种碳纤维表面Ni/Co/Ag三镀层的制备方法，步骤和条件如下：
第一步：碳纤维的预处理，同实施例1；
第二步：碳纤维化学镀Ni
将经过第一步预处理后的碳纤维加入恒温水浴箱中，在水浴箱中加入化学镀Ni镀液，将恒温水浴箱加热到75℃，保温10分钟，加入pH值调节剂NH3· H2O，调节剂镀液pH值为8，施镀5min后取出，取出的碳纤维立刻放入乙醇镀液中超声波清洗，在100℃烘干箱中烘干；
化学镀Ni镀液配方为：NiSO4· 6H2O，25 g/L；NaH2PO2· H2O，22 g/L；Na3C6H5O7· 2H2O，30 g/L；NH4Cl，22 g/L；其余为去离子水；化学镀Ni温度为75℃；
第三步：镀Ni碳纤维表面化学镀Co，所述的化学镀Co镀液配方为：CoSO4，25 g/L；NaH2PO2· H2O，20 g/L；Na3C6H5O7· 2H2O，20 g/L；其余为去离子水；加入pH调节剂为NH3· H2O，调节镀液pH值为13；化学镀Co温度为85℃；其余的与实施例2的第三步相同；
第四步：镀Ni/Co碳纤维表面化学镀Ag
取经过第一步预处理后的碳纤维捆扎成束，每束为3000根，碳纤维直径为6-8µm，将该碳纤维束的两端拉直并用宽胶带粘贴在恒温水浴箱箱壁上固定，作为诱导反应碳纤维束，诱导反应碳纤维束长度与水浴箱长度相适应；取第二步化学镀第一层金属后的碳纤维捆扎成束，两种碳纤维束的碳纤维根数和直径相同，诱导反应碳纤维束的长度以第二步化学镀第一层金属后的碳纤维束全部围绕在其上为准，将后者以螺旋的方式围绕在诱导反应碳纤维束上；
在水浴箱中加入化学镀Ag的化学镀液，将恒温水浴箱加热到30℃，保温10分钟，加入pH值调节剂NH3· H2O，调节镀液pH值为13.5，待第三步化学镀第二层金属Co后的碳纤维表面颜色发生变化，说明碳纤维表面开始镀第三层金属，取出诱导反应碳纤维束，余者继续施镀5min取出，取出的诱导反应碳纤维束和镀完第三层金属后的碳纤维束应立刻放入乙醇镀液中超声波清洗，在100℃烘干箱中烘干；
取出的诱导反应碳纤维可以多次使用，直到其无法诱导镀金属层碳纤维再镀上金属为止；
化学镀Ag镀液配方为：AgNO3，15 g/L；KOH，12 g/L；C6H12O6，20 g/L；C2H50H，50 mL/L；KNaC4H6O6，22 g/L；其余为去离子水；化学镀Ag温度为30℃。
通过计算得到第一层Ni镀层厚度为0.43µm，第二层Co镀层厚度为0.32µm，第三层Ag镀层厚度为0.5µm。
实施例4 一种碳纤维表面Ni/Cu/Co三镀层的制备方法，步骤和条件如下：
第一步：碳纤维的预处理，同实施例1；
第二步：碳纤维化学镀Ni，同实施例3；
第三步：镀Ni碳纤维表面化学镀Cu，化学镀Cu镀液配方为：化学镀Cu镀液配方为：CuSO4· 5H2O，18 g/L；EDTA· 2Na，30 g/L；KNaC4H6O6，15 g/L；HCHO，12 mL/L；其余为去离子水；加入pH调节剂为50wt%的NaOH，调节镀液pH值为14；其余的与实施例1的第三步相同；
第四步：镀Ni/Cu碳纤维表面化学镀Co，化学镀Co镀液配方为：
CoSO4，20 g/L；NaH2PO2· H2O，30 g/L；Na3C6H5O7· 2H2O，28 g/L；其余为去离子水；加入pH调节剂为NH3· H2O，调节镀液pH值为12；化学镀Co温度为85℃；其余的与同实施例3的第四步相同。
通过计算得到第一层Ni镀层厚度为0.43µm，第二层Cu镀层厚度为0.55µm，第三层Co镀层厚度为0.26µm。
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