一种碳纤维表面金属化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳纤维表面金属化方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维具有高的比强度、高比模量、耐高温、耐烧蚀、耐磨损、导电、导热和膨胀系数小等一系列优异性能，它不仅是制造火箭、导弹、卫星航天飞机和宇宙空间站的必不可少的结构材料、耐腐蚀材料、隔热材料和特种功能材料，而且也是战斗机、民航客机、直升飞机的轻量化、高性能化的主要增强纤维，因而在高技术产业中得到广泛应用。其需求以两位数的增长速率逐年增长。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，正在发挥着越来越重要的作用，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。
[0003]碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨与金刚石之间，含碳体积分数随种类不同而异，一般在0.9以上。碳纤维呈黑色，它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的一种，特别是在2000〃C以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。
[0004]碳纤维在原子层面跟石墨很相近，是由一层层以六角型排列的碳原子所构成，两者差别在于层与层之间的连结，石墨是晶体结构，它的层问连结松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规则的，这样便防止滑移，增强物质强度。碳纤维最优良的性质是强度高、模量高、密度低，碳纤维的密度是钢的1/4，是铝合金的1/2，其比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。此外，碳纤维还具有碳元素的各种优良性能，如耐高温，在非氧化气氛条件下，碳纤维可在2000度时使用，在3000度的高温下不融熔软化；热膨胀系数小、导热系数大，可以耐急冷急热，即使从3000C的高温突然降到室温也不会炸裂；耐腐蚀性好，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀；导电性良好等。同时，它又具有纤维般的柔曲性，可进行编织加工和缠绕成型。同时，碳纤维也有一些缺点，例如:抗冲击性差，在空气和高温下(低于600C)会氧化。
[0005]碳纤维的生产始于20世纪6年代末70年代初，当时以黏胶纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化制成碳纤维，主要在火箭喷嘴防止热气流传导使用。
[0006](I)碳纤维的需求将出现爆炸性的增长
[0007]据碳纤维有关业者预测，在今后缸8年里，全球碳纤维的年需求量将会出现爆炸性的增长:即从目前的I亿镑(合4.54万吨)增加四倍以上，达到4-5亿镑，这一点有很多军品和飞机业的订单和一些文件可作证明。与此同时，碳纤维的价格也在上升，从过去的5美元/镑上涨至目前的20美元/镑.
[0008](2)碳纤维的优异性能使它应用广泛
[0009]碳纤维具有强度高和质量轻的特点，一般与环氧树脂等制成复合材料，以通常应用的PAN基的CFRP为例，其比重为1.7砣.0，为钢的五分之一；抗拉强度为102公斤/ram2，与钢类似，且还有耐高温、耐腐蚀和难燃等特点。自碳纤维问世的35年来，已航天业、汽车业、游艇业和飞机制造业中广泛应用，显示了质轻和节能的优越性。在航天业中，用于制作卫星、火箭和导弹部件，在汽车业中，用于制作汽车顶蓬、发动机罩和内装饰等。此外，碳纤维还用于制作风力发电设备风叶、压力容器和休闲、体育用品(如钓鱼竿和高尔夫球杆)等。
[0010]近年来，碳纤维在飞机制造业中发展迅速，起初用于制作机尾部件，现已发展到机翼和机身的外部和内部的部件，包括制动器等，如波音787客机厂商在其制作中采用了大量碳纤维，期待着投入运行能降低燃料消耗。此客机厂商还和日本一家纺织品、碳纤维和树脂的厂商一东丽公司签订了在2021年前碳纤维的供货合同。A-350客机也在研究用碳纤维来制作整个机翼。
[0011]人类使用的材料经历了天然材料、加工材料、合成材料而进入到目前第四代的复合材料时代。复合材料是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成的多相材料。它不仅能保持其原组分各自具有的部分特性，使各组分性能得到相互补充，甚至还可能赋予原组分呈单一材料时所不具备的优异性能。随着高性能碳纤维的开发和利用，也促使复合材料从玻璃纤维增强塑料的第一代进入以碳纤维增强塑料(CFRF)为代表的高级复合材料(ACM)的新时期。
[0012]尽管CF具有极高的比强度和比模量，但它属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固地复合在一起时才能使之更有效地承载负荷。因此，CF主要还是在复合材料中用作增强材料。CF增强复合材料的性能除取决于CF本身和基体的性质外，还与基体中纤维的排列方式，基体中纤维的体积分数以及复合工艺有关。各类高分子树脂的重量轻、成型性好，易于生产，成本低廉，由高性能CF制成的碳纤维增强塑料(C删是目前加工技术最成熟，使用最广泛的先进复合材料。除此之外，根据不同的特性要求还陆续开发了碳纤维增强碳、碳纤维增强水泥、碳纤维增强金属(CFRM)、碳纤维增强陶瓷和碳纤维增强橡胶等各种复合材料。
[0013]尽管碳纤维性能优异，但其断裂伸长小，属于脆性材料，单独使用时无法阻止破裂的扩展，弯曲时极易被破坏。因此必须用模量较低的基体材料与它黏结在?起，这样即使某些纤维断裂，也不致影响整体的强度。在外力作用下，由基体将施加的负荷均匀地分配到纤维上。用这种方法制成的材料称为碳纤维复合材料。
[0014]碳纤维复合材料的性能受制于纤维与基体的黏结强度。纤维的表面结构和性能，如表面微晶的大小、取向程度、纤维的比表面积、表面能等，都和纤维与基体的黏结强度有关。碳纤维的结构单元是由六角碳环组成的细长条带状层面，处于细长条带边缘的碳原子以及表层面上有缺陷处的碳原子和层面内部结构完整的碳原子不同。层面内部的碳原子所受的引力是对称的，键能高，反应活性低。处于表面边缘的碳原子受力不对称，具有不成对电子，活性较高。因此，碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关，边缘处的碳原子数目越多，即比表面积越大，碳纤维的表面活性越大。在其它条件相同的情况下，碳纤维与基体间的黏结强度与纤维比表面积有关，纤维的比表面积愈大，黏结强度愈高，从而提高碳纤维增强复合材料的抗张强度，这也是碳纤维朝着超纤维方向发展的原因之一。
[0015]电化学氧化处理利用了碳纤维的导电性，一般是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中，通过电解所产生的活性氧来氧化