短碳纤维增强工业原铝复合材料的研究

论文摘要

现代科学技术的进步，对金属材料提出了越来越高的要求，促进了对金属基复合材料的研究。由于碳纤维增强铝基复合材料具有密度小，比强度、比刚度高，耐磨性、导热性好，高温强度及高温下尺寸稳定性好等特点，被许多领域特别是航天航空领域所青睐。 针对现有的采用低压铸造法生产的长碳纤维增强铝基复合材料存在的问题，如铝熔体与碳纤维润湿不良，界面结合强度低，不能轧制成薄板等。本文研究了采用碳纤维表面镀铜—搅拌铸造法制备短碳纤维增强工业原铝复合材料技术及所涉及的理论，为制造飞机蒙皮所需的短碳纤维增强铝基复合材料提供基础。由于碳纤维具有疏水性、惰性大难以在其表面上直接镀铜的特点，首先需要对碳纤维的表面进行预处理。试验结果表明：采用高温灼烧除胶和过硫酸铵氧化，较好地改善了碳纤维的疏水性，提高了碳纤维表面的粗糙度；以SnCl2为敏化液，AgNO3为活化液可使碳纤维表面形成一层具有催化活性的贵金属层（Ag），增大了碳纤维表面的活性，使碳纤维表面化学镀铜得以实现。 经过预处理的碳纤维表面先化学镀铜再电镀铜，可获得具有一定厚度、均匀的铜镀层，较好地解决了碳纤维与铝的润湿性问题。通过对化学镀液的沉铜速率、稳定性与温度以及还原剂、络合剂、稳定剂等试剂用量关系的研究，确定了最佳化学镀铜配方。首次采用以硫酸铜为主盐，甲醛为还原剂，AgNO3为活化剂，EDTA和酒石酸钾钠为双络合剂，2，2′—联吡啶和亚铁氰化钾为稳定剂，碳纤维化学镀铜新工艺。该工艺镀液稳定，铜沉积速度快，生产成本低，镀铜效果良好。 通过对电镀铜的沉铜速率、电镀时间和电流密度的试验，确定了合适的电镀条件。 碳纤维化学镀铜—电镀铜复合镀的试验结果表明，对碳纤维先进行化学镀铜再电镀铜，既解决了碳纤维束的黑心问题，又可获得较厚的镀层，使镀层与碳纤维的结合力更好。 创造性地使用化学涂覆的方法有效地解决了在高温复合过程中碳纤维表面铜镀层的氧化难题。实验发现，将镀铜碳纤维浸泡在1％硼酸溶液中，可大大降低铜

论文目录

• 独创性声明
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纤维的发展概况
• 1.1.1 碳纤维的主要性能
• 1.1.2 碳纤维分类
• 1.1.3 碳纤维的发展状况
• 1.1.3.1 世界发展状况
• 1.1.3.2 国内发展状况
• 1.2 碳纤维增强复合材料的发展
• 1.3 碳纤维增强铝基复合材料的开发及应用
• 1.4 短碳纤维增强铝基复合材料的制备方法
• 1.4.1 粉末冶金法
• 1.4.2 挤压铸造法
• 1.4.3 搅拌法
• 1.5 液态机械搅拌法制备碳纤维增强铝基复合材料存在的问题
• 1.5.1 碳纤维与铝基体的润湿性问题
• 1.5.2 碳纤维与铝基体的界面反应问题
• 1.6 本文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 碳纤维表面镀铜的研究
• 2.1 前言
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 试验原料
• 2.2.2 碳纤维表面预处理方法
• 2.2.2.1 预处理工艺流程
• 2.2.2.2 去胶、粗化、敏化、活化等各步方法
• 2.2.3 化学镀铜试验方法
• 2.2.3.1 化学镀铜原理
• 2.2.3.2 化学镀铜试验过程
• 2.2.3.3 测试方法
• 2.2.4 电化学镀铜试验方法
• 2.2.4.1 电化学镀铜原理
• 2.2.4.2 电化学镀铜试验过程
• 2.2.5 制备镀铜碳纤维丝工艺流程
• 2.3 试验结果
• 2.3.1 碳纤维预处理试验结果
• 2.3.1.1 碳纤维表面去胶处理
• 2.3.1.2 粗化处理
• 2.3.1.3 敏化处理
• 2.3.1.4 活化处理
• 2.3.2 碳纤维表面化学镀铜试验结果
• 2.3.2.1 温度影响
• 2.3.2.2 氢氧化钠用量的影响
• 2.3.2.3 硫酸铜用量影响
• 2.3.2.4 还原剂种类及其用量的影响
• 2.3.2.5 EDTA用量的影响
• 2.3.2.6 酒石酸钾钠用量的影响
• 2.3.2.7 稳定剂用量的影响
• 2.3.2.8 化学镀铜反应的表观活化能计算结果
• 2.3.3 电化学镀铜试验结果
• 2.3.3.1 电镀时间对铜沉积速率的影响
• 2.3.3.2 电流密度对铜沉积速率的影响
• 2.3.4 碳纤维表面化学镀—电化学镀铜复合镀试验结果
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 铝熔体—碳纤维界面现象的研究
• 3.1 前言
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 铝熔体对碳纤维表面润湿性测试方法
• 3.2.1.1 试样片的制备
• 3.2.1.2 润湿角测试步骤及试验装置图
• 3.2.1.3 润湿机理
• 3.2.2 铝熔体与碳纤维界面结合方式试验方法
• 3.2.2.1 镀铜碳纤维的制备
• 3.2.2.2 C-Cu/Al复合材料的制备
• 3.2.2.3 样品表征和性能测试
• 3.2.3 镀铜碳纤维防氧化试验方法
• 3.2.3.1 试验过程
• 3.2.3.2 样品表征和性能测试
• 3.3 试验结果
• 3.3.1 铝熔体对碳板润湿性测试结果
• 3.3.1.1 铝熔体对石墨板的润湿性
• 3.3.1.2 铝熔体对镀铜石墨板的润湿性
• 3.3.1.3 铝熔体对复盖氧化铜石墨板的润湿性
• 3.3.1.4 不同温度下铝熔体对石墨板的润湿性
• 3.3.2 铝熔体与碳纤维、碳纤维与铜界面结合方式研究结果
• 3.3.2.1 铝熔体与碳纤维界面结合方式
• 3.3.2.2 碳纤维与铜的界面结合
• 3.3.3 镀铜碳纤维防氧化试验结果
• 3.3.3.1 抗氧化试剂的选择
• 3.3.3.2 硼酸的抗氧化试验结果
• 3.3.3.3 硼酸的加入对材料力学性能的影响
• 3.3.3.4 不同硼酸用量试验结果
• 3.3.3.5 界面微结构分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 短碳纤维增强工业原铝复合材料制备工艺的研究
• 4.1 试验方法与过程
• 4.1.1 试验设备
• 4.1.2 试验过程
• 4.1.3 短碳纤维增强工业原铝材料气孔的测定方法
• 4.1.4 复合材料拉伸性能的测试方法
• 4.1.5 复合材料耐磨性能的测试方法
• 4.1.6 复合材料硬度性能的测试方法
• 4.2 试验结果
• 4.2.1 复合温度对复合材料的影响
• 4.2.2 搅拌速度对复合材料的影响
• 4.2.3 保温时间对复合材料的影响
• 4.2.4 搅拌桨形状对复合材料的影响
• 4.2.5 短碳纤维增强工业原铝材料气孔的测定结果
• 4.2.5.1 温度对气孔率的影响
• 4.2.5.2 搅拌速度对气孔率的影响
• 4.2.5.3 桨叶形状对气孔率的影响
• 4.2.5.4 保温时间对气孔率的影响
• 4.2.5.5 纤维加入量对气孔率的影响
• 4.2.5.6 气孔形成原因及类型
• 4.3 短碳纤维增强工业原铝复合材料性能的测试
• 4.3.1 复合材料拉伸性能的测试
• 4.3.2 复合材料耐磨性能的测试
• 4.3.3 复合材料硬度性能的测试
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 短碳纤维增强工业原铝复合板材轧制试验
• 5.1 前言
• 5.2 试验方法
• 5.2.1 试样制备
• 5.2.2 轧制试验
• 5.2.3 性能检测方法
• 5.2.3.1 板材抗拉强度、延伸率检测方法
• 5.2.3.2 板材硬度检测方法
• 5.2.3.3 碳纤维分布检测方法
• 5.3 轧制试验结果
• 5.3.1 轧制板材外观质量
• 5.3.2 抗拉强度检测结果
• 5.3.3 延伸率测定结果
• 5.3.4 硬度测定结果
• 5.3.5 碳纤维分布状态观测结果
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 致谢
• 作者简历
• 攻读博士学位期间完成的论文