柔性碳纤维复合电极制备方法及其在电解加工中的应用

1.本发明涉及一种柔性碳纤维复合电极制备方法及其在电解加工中的应用，属于电解加工技术领域。


背景技术：

2.碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成的含碳量在90%以上的材料，根据碳纤维合成方式的不同，碳纤维有聚丙烯腈（pan）基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维等。碳纤维具有许多优良的性质，最典型的的性质为高强度、高模量，其强度比钢大4~5倍，弹性回复接近100%；碳纤维还有密度小、质量轻的特点。除上述性质外，碳纤维还有一些性质可以用于特殊用途，摩擦系数小，并具有润滑性；导电性好、耐高温性好、化学稳定性好等。此外，以碳纤维为增强相的复合材料具有高比强度、高比模量等优良特性，因此碳纤维及其复合材料，被广泛应用于航空航天、土木工程等领域。
3.碳纤维虽然属于导电材料，但由于无定形碳和其他杂质存在，影响了碳纤维的导电性，同时碳纤维作为非金属材料在与金属基材料复合时，碳纤维与基体间润湿性和兼容性较差，进而影响碳纤维及其复合材料的性能，因此，许多学者进行了许多提高碳纤维及其复合材料性能的工作。
4.在专利“一种碳纤维表面电镀铜镍镶嵌式复合涂层制备方法及应用”（申请号201710930596 .9申请人大连理工大学，发明人沙建军吕钊钊邹雪林冠璋王首豪张兆甫）中，提出了一种碳纤维表面电镀铜镍镶嵌式复合涂层制备方法，利用在碳纤维表面涂覆一种铜镍镶嵌式的复合涂层，可解决铜或镍单涂层碳纤维在碳纤维增强铝基复合材料中容易出现过强或过弱的界面结合的问题。
5.在专利“一种碳纤维均匀电镀铜层的制备方法”（申请号201911401781 .4申请人四川大学，发明人武建勋谢海生吴芮刘俊逸费德君）中，提出了一种碳纤维均匀电镀铜层的制备方法，通过对电镀液成分、浓度和电流密度的控制，可以改变电镀后碳纤维铜镀层的厚度、均匀性和表面形貌，镀层结合力好、均匀且碳纤维之间不会粘接。
6.在专利“一种电镀银碳纤维电极及其制备方法”（申请号201910898357 .9申请人中国地质大学（武汉），发明人徐建梅胡智慧黄灿何天成李文昊）中，提出了一种电镀银碳纤维电极制备方法，制得的电镀银碳纤维电极极差小，性能稳定，易于长期保存，可用于海洋电场信号的探测。
7.在专利“一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法”（申请号201810394423 .4申请人陕西科技大学，发明人李翠艳许钊欧阳海波畅丽媛黄剑锋费杰）中，提供了一种简单、高效、低成本制备柔性ni基催化电极的方法，所制备的复合材料不仅具有高的强度，高的比表面积、而且还具赋予了复合材料高的催化活性。
8.在专利“一种碳纤维表面电镀铜工艺”（申请号201711391531 .8申请人宜兴市宜泰碳纤维织造有限公司，发明人蒋洪亮）中，提供了一种碳纤维表面电镀铜工艺，使碳纤维束内的每根纤维表面获得了连续均匀的镀层，电阻减小，导电性明显增加，且碳纤维和镀层
之间的界面结合良好。
9.在专利“一种高导电性石墨化碳纤维电极及其制备方法和应用”（申请号202010947905 .5申请人广东德九新能源有限公司，发明人吴海燕林红杨家伟许峰谢吴成刘镕畅）中，提供了一种高导电性石墨化碳纤维电极及其制备方法，所制得的石墨化碳纤维电极具有良好的电导率、化学和电化学稳定性；提出的制得该石墨化碳纤维电极的制备方法简单高效。
10.在专利“一种镀镍碳纤维及其制备工艺”（申请号202011272441 .9申请人南京柯普新材料科技有限公司，发明人谢双庆罗俊时吴力新谢德荣）中，提出了一种镀镍碳纤维及其制备工艺，通过此工艺制备的镀镍碳纤维的抗拉强度具有显著的提升。
11.电解加工是一种基于电化学阳极溶解原理去除材料的工艺方法，属于特种加工领域。由于其具有工具无损耗、不受材料机械加工性能限制、加工质量好、加工效率高等特点，电解加工被广泛应用于航空航天、汽车、兵器等领域。
12.在专利“一种非匀速双旋转变加工刃阴极整体叶盘电解加工方法”（申请号201910756930 .2申请人南京航空航天大学，发明人徐正扬王璟朱荻）中，设计阴极的加工刃为变宽度加工刃，驱动其按仿真轨迹单向变速旋转径向进给；驱动毛坯按仿真优化的参数协同阴极变向变速旋转，在毛坯上形成叶栅通道，提高加工余量分布均匀性。
13.在专利“空间旋转进给复合工件倾斜摆动整体叶盘电解加工方法”（申请号201410457130.8 申请人南京航空航天大学，发明人朱栋谷洲之刘嘉方忠东徐正扬朱荻）中，提出通过工具空间旋转进给复合工件倾斜摆动的方式完成整体叶盘叶栅通道电解加工，显著减小叶栅通道加工的余量差，提高了整体叶盘叶栅通道的加工精度。
14.在专利“一种射孔枪内盲孔加工装置及方法”（申请号202010103619 .0申请人东北石油大学，发明人夏法锋马春阳国雪李强葛长虎赵旭东赵丹琼）中，避免了现有加工方式中需要动力传输产生的转动不稳定的问题，应用电解加工，实现射孔枪内盲孔的加工。
15.在专利“一种股骨柄假体电解加工阴极及股骨柄假体电解加工装置”（申请号202110615909 .8申请人广东工业大学，发明人陈晓磊胥中正张永俊于兆勤）中，提出可以一次完成电解加工中股骨柄假体轮廓的切割和复杂外型面的电解成型的工具阴极。
16.在专利“整体叶轮电解加工工具电极的空间轨迹优化方法”（申请号200910025903.4申请人南京航空航天大学，发明人徐庆朱荻刘嘉李寒松）中，通过工具阴极与工件阳极间的多维插补运动，并优化了工具电极的空间运动轨迹，加工出的叶栅通道余量小且均匀性良好。
17.在专利“双叶片套料电解加工装置及其加工方法”（申请号202010425084.9申请人南京航空航天大学，发明人朱栋张晓博林家豪）中，针对具有大小叶片的整体构件，设计两种特征的整体式工具阴极，将工具阴极沿轴向进给，实现双叶片的快速套型加工。
18.在专利“柔性电极动态变形电解加工方法及应用”（申请号202110860375 .5申请人南京航空航天大学，发明人朱荻徐正扬刘琳）中，提出柔性电极动态变形电解加工方法，即在加工过程中，根据工件型面的曲率变化特点，通过施加不同的载荷，使得工具电极在进给的同时发生动态变形，其变形后的形状近似于工件型面线的数学模型，从而使得加工出的工件型面接近理想型面。
19.柔性电极动态变形电解加工方法是通过简单形状电极，在加工过程中，按设定程
序对电极施加相应载荷，进而产生相应变形的扫掠式电解加工方法，主要应用于复杂型面零件的加工。柔性电极的材料既需要一定刚度，能够承受载荷，又需要具有良好的弹性，实现变形的回复；此外，电极还要求具有良好的导电性、耐磨性与耐腐蚀性；传统的金属电极不能已经不能满足此需要，因此本发明提出一种柔性碳纤维复合电极制备方法。


技术实现要素：

20.发明目的：本发明的目的在于为制备既具备优良的弹性，又具备良好导电性与耐磨性的电极，实现复杂型面的电解加工，提供一种柔性碳纤维复合电极制备方法。
21.技术方案：一种柔性碳纤维复合电极制备方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、采用碳纤维管作为电极材料；步骤2、根据加工零件的数学模型型面线，获得电极的初始形状，并在其上加工等距排列的小孔；步骤3、对电极进行表面处理；步骤4、随后用绝缘棒堵塞小孔，将电极与绝缘棒放入铜电镀槽中，进行初步镀铜处理，增强其导电性；镀铜结束后，将电极取出干燥，接着放入铬电镀槽中，进行二次镀铬处理，增强其耐磨性；步骤5、镀铬结束后，将电极取出干燥，同时移除绝缘棒，获得复合电极。
22.所述的柔性碳纤维复合电极制备方法，其特征在于：上述步骤3所述表面处理是指完成电极形状加工后，使用去离子水清洗，除油，再进行表面粗化、敏化及活化处理，为下一步电镀做准备，增强非金属表面与金属镀层的结合力。
23.所述的柔性碳纤维复合电极在柔性电极动态变形电解加工中的应用；其特征在于包括以下过程：首先，根据加工零件的数学模型型面线，获得柔性碳纤维复合电极的初始形状，在其上加工等距排列的小孔，作为电解液的出口；在加工时，电极侧壁作为加工面沿工件表面进行扫掠式电解加工；在加工过程中，根据工件型面的曲率变化特点，通过施加不同的载荷，使得电极在进给的同时发生动态变形，其变形后的形状近似于工件型面线的数学模型，从而使得加工出的工件型面接近理想型面；加工完成后，移除载荷，电极变形回复，以便下一次加工继续使用。
24.本发明制备的柔性碳纤维复合电极，既具有高弹性与高强度，又具有良好导电性与耐磨性，适用于柔性电极动态变形电解加工中。
25.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点。
26.（1）提供了一种柔性碳纤维复合电极制备方法。采用碳纤维管作为电极材料，根据加工零件的数学模型型面线，获得电极的初始形状；在电极表面进行初步镀铜处理，增强电极导电性；随后进行二次镀铬处理，增强电极耐磨性，最终获得既具有高弹性与高强度，又具有良好导电性与耐磨性的高性能碳纤维复合电极。
27.（2）适用于柔性电极动态变形电解加工，可用于加工复杂型面零件。所制备的高性
能碳纤维复合电极，其基体材料为碳纤维，碳纤维质量轻、密度小，具有高强度、高模量与良好的弹性，弹性回复量大，可以实现加工过程中电极的变形与回复，适用于柔性电极动态变形电解加工，可加工复杂型面零件；。
28.（3）所制备的电极性能良好，可重复多次使用，降低加工成本。在碳纤维材料上电镀铜，解决了由于无定形碳和其他杂质存在，影响碳纤维导电性的问题；在此基础上，电镀铬，增强了电极的耐磨性，可以实现电极的重复多次使用，具有良好的加工柔性，降低了加工成本。
附图说明
29.图1为柔性碳纤维复合电极制备工序；图2为电极形状与结构示意图；图3为电极与绝缘棒的安装示意图；图中标号名称：1、碳纤维管电极，2、加工工件，3、绝缘棒。
具体实施方式
30.下面结合附图以变截面叶片电解加工为例对本发明的具体实施过程做详细介绍。
31.如图1所示，实施本发明“一种柔性碳纤维复合电极制备方法及其在电解加工中的应用”的工序主要有四步，首先电极材料选择碳纤维管，具体为聚丙烯腈基碳纤维；其次，如图2所示，根据加工零件的数学模型型面线确定电极的初始形状，并在电极表面加工等距排列的小孔，作为电解液出口；接着对碳纤维管电极进行表面处理，提高非金属表面与金属的结合力；随后，如图3所示，为避免电镀时，镀层生长包裹小孔，影响电解加工时电解液流动，将绝缘棒一一对应，插入电极的小孔中；接着进行初步镀铜与二次镀铬的电镀工艺，最终获得既具有高弹性与高强度，又具有良好导电性与耐磨性的柔性碳纤维复合电极。
32.采用本发明制备柔性碳纤维复合电极需要以下九个步骤。
33.步骤一：电极材料选择碳纤维管，其质量轻、密度小，具有高强度、高模量与良好的弹性，弹性回复量大，具体为聚丙烯腈基碳纤维；步骤二：根据加工零件的数学模型型面线，获得电极的初始形状；步骤三：如图2所示，在电极表面加工等距排列的小孔，作为电解液出口；步骤四：对碳纤维管电极进行表面处理，主要包括除油、粗化、敏化、活化，提高非金属表面与金属的结合力；步骤五：为避免电镀时，镀层生长包裹小孔，影响电解加工时电解液流动，将绝缘棒一一对应，插入电极的小孔中；步骤六：将碳纤维管与安装好的绝缘棒放入含有cu
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的电镀槽中，铜板连接电源正极，在电镀过程中，为电镀液补充cu
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，碳纤维管连接电源负极，在其表面沉积铜镀层；通过初步镀铜处理，可以增强电极导电性；步骤七：将经过初步镀铜处理的碳纤维电极与安装好的绝缘棒，从铜电镀槽中取出；使用去离子水清洗，并进行干燥处理；步骤八：处理完毕后，放入含铬离子的电镀槽中，铅合金连接电源正极，在电镀过程中，为电镀液补充铬离子，初步镀铜处理的碳纤维电极连接电源负极，在其表面二次沉积
铬镀层；通过二次镀铬处理，可以增强电极的耐磨性；步骤九：电镀结束后，移除绝缘棒，使用去离子水清洗，对电极进行电镀后处理，最终获得既具有玻璃纤维高弹性，又具有良好导电性与耐磨性的柔性电极。