碳纤维表面化学镀铜工艺

 1.1化学镀原理及特点

1.1.1化学镀是一种不需要通电,依据氧化还原反应原理,利用强还原剂在含有金属离子的溶液中,将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。

 1.1.2化学镀特点

化学镀是无电沉积镀层,选择合适的化学镀溶液,将被镀工件表面去除油污后直接放入镀液中。根据设定的厚度确定浸镀的时间即可。化学镀优点是:①工艺简单,适应范围广,不需要电源,不需要制作阳极,只要一般操作人员均可操作;②镀层与基体的结合强度好;③成品率高,成本低,溶液可循环使用,副反应少;④无毒,有利于环保;⑤投资少,数百元设备即可,见效快。

1.2碳纤维镀铜前的表面处理的重要性及其处理方法

镀铜碳纤维的铜镀层是以机械嵌合的方式和碳纤维结合在一起的。镀铜时,析出的铜原子极易在碳纤维表面富集,而且首先是在碳纤维表面的沟槽内沉积,因此碳纤维表面的粗糙度在很大程度上影响了镀层与碳纤维的紧密结合程度。未经表面处理的碳纤维表面呈疏水性,电镀时会在表面呈现黑斑,因此必须对碳纤维进行表面处理。提高碳纤维表面活性的方法较多,(1)采用丙烯酸和硫酸混合液为接枝液体,放入待改性的碳纤维,保证液体将碳纤维完全浸没;然后缓慢地加入高锰酸钾溶液,加入前后保持溶液不变色,进行接枝反应;(2)将反应后的碳纤维从溶液中取出,用去离子水反复冲洗数次,再放入沸水中煮沸,烘干。该方法操作简单,成本低廉,且对环境无污染,便于工业化。

1.2.1碳纤维的化学镀铜

碳纤维化学镀铜的基本过程是碳纤维经表面处理后经过敏化、活化、还原、解胶,最后在镀铜液中进行化学镀铜。化学镀的关键在活化和化学镀铜。化学镀铜溶液中的主盐就是铜盐,该溶液通常由硫酸铜、酒石酸钾钠、氢氧化钠、甲醛等配制而成。该溶液最大的缺点就是不稳定,短时间内就会失效。为了解决以上的缺点,本试验做了如下改进:①以甲醛为例:以甲醛作还原剂的化学镀铜溶液是碱性的,为防止铜离子形成氢氧化物沉淀析出,镀液中必须加入络合剂,以使铜离子成为络离子状态。可以选用的络合剂有酒石酸钾钠、柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、三乙醇胺、四羟丙基乙二胺、甘油、甘醇酸、EDTA等。

        ②加入稳定剂:在化学镀铜的过程中,除铜离子在催化表面进行有效的氧化还原反应,被甲醛还原成金属铜之外,还存在许多副反应。主要的副反应包括:

 康尼查罗(Cannizzaro)反应:2HCHO+OH-→CH3OH+HCOO-

 非催化型反应:2Cu2++HCHO+5OH-→Cu2O↓+2HCOO-+3H2O

 通过该反应氧化亚铜的微粒被还原出来,此后,氧化亚铜又可能被进一步还原成微粒铜,即:

 Cu2O+2HCHO+2OH-→2Cu↓+2HCOO-+H2↓+H2O

这些副反应不仅消耗了镀液中的有效成分,而且产生的氧化亚铜以极细微的粉末悬浮在镀液中,很难用过滤除去,容易引起镀液分解,若与铜共沉积,则得到的铜沉积层疏松粗糙,与基体结合力差。针对上述情况,化学镀铜液中需加入稳定剂以达到稳定镀液和改善镀层质量的作用。化学镀铜液的稳定剂种类很多,常用的稳定剂有甲醇、氰化钠、硫代尿素、烷基硫醇、二羟基氮苯、2—2联吡啶等。这些稳定剂对提高镀液稳定性有效。但是,大多数的稳定剂又同时是化学镀铜反应的催化毒化剂,因此,使用稳定剂时,用量的控制是十分重要的。否则,用量多时,会显著降低镀速甚至造成停镀。

 1.2.2碳纤维的电镀铜

碳纤维电镀是利用电解方法对碳纤维表面进行加工的一种工艺。电解时将碳纤维作为阴极,镀液中的金属离子在直流电的作用下沉积在碳纤维表面形成致密的金属镀层,这种金属沉积的特点是从外电源得到电子。其流程:去胶→粗化→中和→敏化活化→还原→镀铜→镀铜碳纤维。

 2碳纤维化学镀和电镀的效果及比较

 2.1碳纤维束电镀时的黑心问题

所谓的黑心问题就是电镀时铜只沉积在碳纤维束的表面,而内部碳纤维没有被镀上铜,因而产生黑心。这是因为碳纤维束在电镀时许多断裂的短纤维在电流的作用下自由取向,这些纤维优先被镀上铜。镀铜纤维的导电性要远大于未被镀铜的纤维,这样镀上铜的外部碳纤维对内部未被镀上铜的纤维产生屏蔽,使得铜只在外部碳纤维上沉积而内部碳纤维很难镀上铜。

 2.2碳纤维电镀和化学镀镀层效果的比较

电镀碳纤维的表面不够光滑,铜镀层与碳纤维的结合力不好。在纤维表面与铜层的相接处,由于表面张力的作用,发生了部分界面分离现象。从碳纤维束的镀铜效果来看,化学镀消除了电流分布的不均匀性,大大改善了电镀时的黑心问题。但从另一角度来说,化学镀不及电镀沉积速度快。前者阳极形状比较灵活,特别适于局部镀和工件修复;后者阳极材料、形状要求比较高,可获得厚镀层,适于批量生产。因此对碳纤维先进行化学镀然后再电镀,既可以提高碳纤维与铜镀层的结合力,又可获得较厚的镀层,可见将二者结合使用是提高碳纤维束镀铜质量的有效方法。

3结论

3.1未经表面处理的碳纤维表面呈疏水性,电镀时会在表面呈现黑斑,所以在开始电镀时有必要对碳纤维表面进行适当的处理,那样可以改善碳纤维表面的浸润性和粗糙度。

       3.2采用化学镀的方法碳纤维表面可以得到均匀、结合力较好的镀铜层。而直接电镀所得到的铜镀层很不均匀,纤维束外部的纤维镀层很厚,但内部的碳纤维由于屏蔽效应镀得很不均匀甚至镀不上。

3.3对其过程加以改进,可以有效地提高碳纤维镀铜质量。如果能将化学镀和电镀有效地结合,可以大大提高碳纤维镀铜效果。