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碳纤维表面改性的研究

庄严  
【摘要】:碳纤维由于价格昂贵,主要被应用于军工领域,没有向民用领域方面延伸。近些年随着化工行业的发展,碳纤维生产工艺不断改进成熟,价格一路走低,使其有了更广泛的应用领域。碳纤维作为增强体的复合材料已经越来越广泛的应用在航天、航空、汽车、机械制造、文体和生活的各个领域,甚至在一些领域中,铝合金作为基体的复合材料逐步取代密度较大的钢铁材料。从上个世纪,国家就在号召经济要从粗放型向集约型转变。近几年国家一直非常重视国有企业改革,铝合金等金属产品的过剩,产品附加值低等问题成为国有企业营收乏力的主要原因,碳纤维增强金属基的复合材料成为高附加值的金属材料,逐渐受到越来越多的关注,碳纤维表面改性将得到更深入的研究。全文以碳纤维表面化学镀铜的工艺流程为主线,系统的研究了碳纤维表面预处理、化学镀铜工艺,得到了结合力良好、均匀、有光泽的镀层;用X射线光电子能谱的技术手段研究镀层的结合机制,根据第一性原理理论,利用Material Studio软件,分析研究了提供界面结合力的化学键。主要工作及结论如下:(1)采用无贵金属胶体铜活化,并改良了碳纤维化学镀铜预处理中的活化配方,使铜层的覆盖率较高。(2)使用正交实验优化了化学镀工艺参数,温度、施镀时间、振动频率三个因素之间的相互作用对化学镀反应的影响,根据正交实验结果,碳纤维表面镀铜的最佳工艺应将温度、时间、频率分别控制在55℃,30min,60Hz,碳纤维表面得到均匀、结合力强、有光泽的镀层。(3)利用X射线光电子能谱研究镀层各组分在不同位置的存在形态,发现在镀层与碳纤维的界面处,形成了Cu-O-C键,这种化学键的形成,为镀层和碳纤维的界面提供了强大的结合力。(4)第一性原理研究Cu-O-C键,建立不同吸附位模型,计算其吸附能和态密度,分析结果表明:在C(100)面不同吸附位对应键能强弱关系为:谷位吸附、单桥吸附、顶位吸附、双桥吸附,吸附能与态密度分析结果相一致。


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