专利名称：一种碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法
技术领域：
本发明属于材料表面处理技术领域，特别是涉及一种能够降低与金属电极间接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法。
背景技术：
碳纤维环氧树脂 复合材料因其比强度和比模量高、抗疲劳性好、可设计性强等优点，已广泛应用于航空航天、风力发电、建筑等领域。然而，此类材料的导电率较低，服役过程中承受雷击电流、感应电流、静电荷放电等产生的电流载荷时，释放的电阻热会对材料产生损伤，降低其力学性能，威胁结构安全。将碳纤维环氧树脂复合材料与金属连接从而将电荷释放是减小损伤的重要方法之一，然而此类材料与金属直接连接时接触电阻过大，电流通过时产生的热量主要集中在两者的界面处，导致连接处过早失效。为了降低接触电阻，有些研究者采用电镀铜、化学镀铜等金属化方法对碳纤维环氧树脂复合材料的表面进行处理，但此类方法存在工艺繁锁、废液处理难度大等缺点；还有些研究者将碳纤维环氧树脂复合材料与金属接触部位抛光后直接采用导电胶与金属电极进行连接，由于有些碳纤维端部未充分露出、碳纤维与导电胶润湿性差等原因存在接触电阻过大的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种能够降低与金属间接触电阻，并且工艺简单的碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法。为了达到上述目的，本发明提供的碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法包括按顺序进行的下列步骤:1)首先将碳纤维环氧树脂复合材料上与金属电极接触部位依次用粗砂纸和细砂纸进行抛光，直到该部位的所有碳纤维端部露出为止；2)用50 60°C的热碱溶液对上述抛光面进行除油20 30分钟；3)用水清洗上述除油后的表面；4)将上述清洗后的表面放入按体积比2: I配制的98%浓硫酸与30%过氧化氢混合液中腐蚀10 20分钟，以去除碳纤维周围的部分树脂，使碳纤维更多地暴露在表面；5)然后浸入温度为80 90°C，浓度为40%的硝酸中20 30分钟进行粗化氧化，以便在碳纤维表面生成与导电胶结合性好的官能团；6)用水清洗上述经过硝酸处理后的表面；7)在上述清洗后的表面涂覆一层低电阻率导电胶并加温固化而形成导电层；8)对上述形成的导电层表面进行抛光，直至该表面的粗糙度低于lOym、导电层的厚度50 1OOiim为止；9)用丙酮溶液清洗上述抛光表面，由此得到低接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料。所述的步骤2)中的碱溶液每升中含60g的NaOH、15g的Na2CO3和30g的Na3P04。
所述的步骤7)中低电阻率导电胶选自体积电阻率低于4Χ10_3Ω._的环氧导电银胶、环氧铜粉导电胶和填银硅脂导电胶中的一种。本发明提供的碳纤维环氧树脂复合材料表面处理方法是利用机械和化学处理手段使碳纤维环氧树脂复合材料上与金属电极间接触的表面碳纤维端部尽可能多地向外露出，同时改善碳纤维的粘接性能，并用低电阻率导电胶填充纤维与树脂间空隙，以此来降低两者间的接触电阻。本方法还具有工艺简单、结合强度高等优点。
图1为四电位法测量电阻值用试验装置结构示意图。
I:试验机上压头 2:聚四氟乙烯板3:铜电极4:碳纤维环氧树脂复合材料
其中:5:铜电极6:聚四氟乙烯板7:力传感器 8:试验机下压头9:试验机立柱
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法进行详细说明。实施例1选用Τ300/914碳纤维环氧树脂复合材料层压板作为试样，铺层方式[(0/90)4]s，试样尺寸为200mmX IOmmX 2mm。将上述T300`/914碳纤维环氧树脂复合材料的表面依次用粒度为200、400、600的砂纸抛光，然后用水清洗表面后作为对比样备用。实施例2将上述T300/914碳纤维环氧树脂复合材料的表面依次用粒度为200、400、600的砂纸抛光；然后用50°C的每升中含60g NaOHU5g Na2CO3和30g Na3PO4的热碱溶液除油30分钟；之后用水清洗表面；将上述清洗后的表面放入按体积比2: I配制的98%浓硫酸与30%过氧化氢混合液中腐蚀10分钟；浸入温度为80°C的40%硝酸中20分钟进行粗化氧化；用水清洗表面；在上述处理后的表面涂覆一层体电阻率不大于4X 10_4Ω.cm的EPO-TEK H20E环氧导电银胶，并在80°C下保温90分钟进行固化而形成导电层；依次用粒度为600、1200的砂纸及10 μ m的三氧化二铝悬浮液对上述导电层进行抛光，导电层最终厚度约60 μ m，用丙酮溶液清洗抛光表面，由此得到低接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料。实施例3将T300/914碳纤维环氧树脂复合材料的表面依次用粒度为200、400、600的砂纸抛光；然后用55°C的每升中含60g NaOHU5g Na2CO3和30gNa3P04的热碱溶液除油25分钟；用水清洗表面；将上述抛光后的表面放入按体积比2: I配制的98%浓硫酸与30%过氧化氢混合液中腐蚀20分钟；浸入温度为90°C的40%硝酸中25分钟进行粗化氧化；用水清洗表面；在上述处理后的表面涂覆一层体电阻率不大于8X 1(Γ5Ω.cm的CotronicsDuralCO120环氧导电银胶，并在120°C下保温20分钟进行固化而形成导电层；依次用粒度为600、1200的砂纸及10 y m的三氧化二铝悬浮液对上述导电层进行抛光，导电层最终厚度约SOil m，用丙酮溶液清洗抛光表面，由此得到低接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料。实施例4将T300/914碳纤维环氧树脂复合材料的表面依次用粒度为200、400、600的砂纸抛光；然后用50°C的每升中含60g NaOHU 5g Na2COjP 30gNa3P04的热碱溶液除油25分钟；用水清洗表面；将上述抛光后的表面放入按体积比2: I配制的98%浓硫酸与30%过氧化氢混合液中腐蚀15分钟；浸入温度为85°C的40%硝酸中25分钟进行粗化氧化；用水清洗表面；在上述处理后的表面涂覆一层体电阻率10_4 10_3Q cm的武汉双键开姆密封材料有限公司DB2012环氧铜粉导电胶，80°C下保温3小时进行固化而形成导电层；依次用粒度为600、1200的砂纸及10 y m的三氧化二铝悬浮液对上述导电层进行抛光，导电层最终厚度约90 ym，用丙酮溶液清洗抛光表面，由此得到低接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料。
为了验证本发明提供的碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法的效果，本发明人进行了如下实验:将上述实施例2-4制成的低接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料及实施例1制成的对比样利用图1所示的四电位法测量电阻值用试验装置测量其与铜电极之间的接触电阻。如图1所示，测量电阻Rm主要包括导线电阻&、试样电阻Rs、铜电极电阻R6以及碳纤维环氧树脂复合材料与金属铜电极间的接触电阻R。，若将导线电阻&忽略不计，则:RmRs+Re+Rc⑴试样电阻可表示为:Rs ^fJlx(2)其中Pf为纤维的电阻率,Lx为试样长度,Vf为纤维体积分数,Ly为试样宽度^(!为0°铺层总厚度。实施例中选用的Torayca T300碳纤维的电阻率约为1.7 X 10_2 Q mm，纤维方向上试样的长度为200mm，纤维体积分数约为0.6，试样宽度为20mm，0°铺层总厚度约为1.0mm,由式⑵得试样电阻Rs约为0.28 Q。通过上述试验装置施加的接触压力为10N，外加电流1A，通电时间5分钟。随着电流作用时间的增加，试样温度升高，此时试样电阻会发生变化，由于通电时间较短，电阻值变化可忽略。铜的电阻率约为1.7X10_5Q _，故铜电极电阻R6也可忽略不计。根据式(1)，测量的电阻Rm减去试样电阻Rs约为接触电阻R。。经测试，实施例1中对比样与铜电极接触测得的接触电阻R。为30.4 Q ;实施例2-4中表面处理后的碳纤维环氧树脂复合材料与铜电极间测得的接触电阻R。分别为0.44Q、
0.40 Q和0.48Q，由此可见，本发明提供的低接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料比对比样的接触电阻R。有了大幅度减小。另外，本发明人还对上述由实施例2-4制成的低接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料进行了 150°C、-100°C的热震试验，以此来验证导电层的结合强度。结果表明，这些导电处理后的碳纤维环氧树脂复合材料经50次热震试验后导电层均无裂纹、脱落等现象产生，表明导电层具有较大的结合强度。
权利要求
1.一种碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法，其特征在于:所述的表面处理方法包括按顺序进行的下列步骤: 1)首先将碳纤维环氧树脂复合材料上与金属电极接触部位依次用粗砂纸和细砂纸进行抛光，直到该部位的所有碳纤维端部露出为止； 2)用50 60°C的热碱溶液对上述抛光面进行除油20 30分钟； 3)用水清洗上述除油后的表面； 4)将上述清洗后的表面放入按体积比2: I配制的98%浓硫酸与30%过氧化氢混合液中腐蚀10 20分钟，以去除碳纤维周围的部分树脂，使碳纤维更多地暴露在表面； 5)然后浸入温度为80 90°C，浓度为40%的硝酸中20 30分钟进行粗化氧化，以便在碳纤维表面生成与导电胶结合性好的官能团； 6)用水清洗上述经过硝酸处理后的表面； 7)在上述清洗后的表面涂覆一层低电阻率导电胶并加温固化而形成导电层； 8)对上述形成的导电层表面进行抛光，直至该表面的粗糙度低于ΙΟμπκ导电层的厚度50 100 μ m为止； 9)用丙酮溶液清洗上述抛光表面，由此得到低接触电阻的碳纤维环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法，其特征在于:所述的步骤2)中的碱溶液每升中 含60g的NaOH、15g的Na2CO3和30g的Na3P04。
3.根据权利要求1所述的碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法，其特征在于:所述的步骤7)中低电阻率导电胶选自体积电阻率低于4Χ10_3Ω.cm的环氧导电银胶、环氧铜粉导电胶和填银硅脂导电胶中的一种。
全文摘要
一种碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法。其包括将碳纤维环氧树脂复合材料与电极接触部位抛光、用热碱溶液除油、用水清洗表面、将表面放入浓硫酸和过氧化氢溶液中腐蚀、在热浓硝酸中进行粗化氧化、用水清洗表面、在表面涂覆一层导电胶并固化、对导电层表面进行抛光处理、用丙酮溶液清洗抛光表面等步骤。本发明的碳纤维环氧树脂复合材料的表面处理方法是利用机械和化学处理手段使碳纤维环氧树脂复合材料上与金属电极间接触的表面碳纤维端部尽可能多地向外露出，同时改善碳纤维的粘接性能，并用低电阻率导电胶填充纤维与树脂间空隙，以此来降低两者间的接触电阻。本方法具有工艺简单、接触电阻低、导电层与复合材料结合强度高等优点。
文档编号C08L63/00GK103087341SQ20131003087
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者王志平, 张国尚, 李娜, 纪朝辉, 韩志勇, 贾鹏 申请人:中国民航大学