PAN基碳纤维表面镀镍及高温力学性能研究

晋艳娟，杨　昆，李盛静，张　柱，杨雪霞

(太原科技大学 应用科学学院，太原 030024)



PAN基碳纤维表面镀镍及高温力学性能研究

晋艳娟，杨昆，李盛静，张柱，杨雪霞

(太原科技大学 应用科学学院，太原 030024)

摘要：碳纤维表面镀镍不但可以有效提高碳纤维与金属液间的浸润性，而且可以避免高温状态下金属铝与碳纤维发生界面反应。基于此，对PAN基碳纤维表面镀镍和镀镍碳纤维在高温下的力学性能进行研究，探究镍层对碳纤维力学性能的影响规律。研究结果表明：碳纤维表面的金属镍层致密、均匀，与碳纤维紧密结合，表面镀镍对碳纤维束的抗拉强度影响不大；高温状态下镀镍碳纤维与氧发生反应，形成孔状结构，导致镀镍碳纤维抗拉强度随着温度的升高而逐渐减小；高温真空处理后的镀镍碳纤维可以有效保持镀镍碳纤维的抗拉强度。

关键词：PAN基碳纤维；镀镍；高温；力学性能

金属基复合材料(Metal Matrix Composites，MMC)的研究起步于20世纪60年代，与树脂基复合材料相比，金属基复合材料除了具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点外，还具有耐高温、横向强度和刚度高、高导热与导电率、抗辐射等优点，因而受到国内外研究者的高度重视，在航空、航天、军事和汽车等领域显示出巨大的应用潜力[1-2]。目前，金属基复合材料有铝基、镁基、钛基、镍基、高温合金基和铜基等，增强纤维有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和金属合金丝等。碳纤维力学性能优异且密度小，是目前可作为金属基复合材料增强相的高性能连续纤维中价格最便宜的一种，一般用于耐热、轻型结构材料的增强纤维[3-5]。碳纤维作为增强相时，首选石墨纤维，而选PAN基碳纤维作为金属基复合材料增强相的研究报道较少[6-7]。从降低碳纤维增强金属基复合材料的原材料成本的角度出发，通过对PAN基碳纤维进行适当处理后，将其作为增强相加入金属基体，制备材料性能要求不是很高的金属基复合材料，可能是一种不错的选择，非常有利于碳纤维增强金属基复合材料在民用领域的推广应用。

制备纤维增强金属基复合材料的方法有很多种[8-9]，如加压铸造法、液态金属浸渍法、粉末冶金法、扩散粘接法和超声波焊接技术等，但无论采取何种方法制备金属基复合材料，都会使碳纤维处于高温状态，为此，碳纤维的高温力学性能，将直接影响碳纤维增强金属基复合材料的最终力学性能[10]。

碳纤维与铝液间的浸润性及界面结合强度是得到高性能复合材料的前提条件。表面镀镍的碳纤维可以有效提高碳纤维与金属液间的浸润性，而且可以避免高温状态下金属铝与碳纤维发生界面反应，生成脆性相。因此，本文选取PAN基碳纤维作为研究对象，首先对其进行表面镀镍处理，然后研究镀镍碳纤维在室温、高温有氧和真空高温加热状态下的拉伸力学性能，探索镍层对碳纤维力学性能的影响规律，为PAN基碳纤维在金属基复合材料中的推广应用提供理论基础。

1碳纤维表面镀镍

在碳纤维增强铝基复合材料中碳纤维表面与金属基体润湿性差，并且高温下与铝发生化学反应，直接影响铝基复合材料的最终力学性能。采用表面金属化方法可有效改善碳纤维与铝基体间的界面结合问题。目前，对纤维进行表面金属化处理的方法有：化学气相沉积法、物理气相沉积法、电镀和表面喷涂等。

图1　镀镍碳纤维的横截面

本文实验中的PAN基碳纤维均购自天津飞荣达科技有限公司。利用该公司提供的电镀技术对12 K国产普通PAN基碳纤维进行表面镀镍处理。利用电子显微镜对镀镍碳纤维的横截面进行观察，如图1所示，图中发亮部分为镍层，金属镍层组织致密、均匀，镍层与碳纤维结合较好，碳纤维横截面并非标准圆截面，镀镍碳纤维单丝直径8.4 μm，镍层厚度0.7 μm.

2镀镍碳纤维拉伸性能试验

利用高低温拉伸试验机和真空加热炉对12 K镀镍碳纤维复丝分别进行了室温拉伸、高温有氧条件下拉伸和真空800 ℃加热后室温拉伸，加载速率均为0.5 mm/min.

2.1　镀镍碳纤维室温拉伸试验

碳纤维束和镀镍碳纤维束在室温(20 ℃)拉伸作用下的力-位移曲线分别如图2所示。选取力的最大值除以纤维束的横截面面积，得到纤维束的最大应力值，相应的结果见表1.

图2　碳纤维和镀镍碳纤维在20 ℃温度时的拉伸曲线

实验编号纤维表面最大抗拉强度/MPa抗拉强度平均值/MPa7镀镍1147.039镀镍1020.0110镀镍1160.5514镀镍1122.491112.5211未镀镍1116.9212未镀镍1189.3413未镀镍1096.491134.24

对比图2中各条曲线，可知：

(1)镀镍碳纤维束的拉伸曲线波动明显，未镀镍碳纤维束拉伸曲线比较光滑；镀镍碳纤维束在加载上升段时，每次波动中基本包含两次小波动。出现此现象的主要原因是：在拉伸作用下，纤维束中每根纤维的长度很难保证完全相等，相对较短的纤维首先发生断裂，因而出现了加载过程中的波动现象。对于镀镍碳纤维束中的每根单丝，由于碳纤维的弹性模量远远高于镍层的弹性模量，所以碳纤维承受大部分载荷，镍层仅仅承受很小部分的载荷。结合图3可以看出，在变形量相同的条件下，首先镍层发生断裂，然后纤维丝断裂，这主要是由于镍层的抗拉强度较低且塑性较差所引起的。

(2)由表1可以看出，在常温条件下镀镍碳纤维束的抗拉强度(1 112.52 MPa)与未镀镍碳纤维束的抗拉强度(1 134.24 MPa)基本相近，说明碳纤维表面镀镍对碳纤维束抗拉强度的影响不大。

图3　镀镍碳纤维断裂过程电镜图

2.2　镀镍碳纤维高温有氧条件下的拉伸试验

为了研究氧气对镀镍碳纤维束的抗拉强度的影响，分别在300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃对12 K镀镍碳纤维束进行高温拉伸性能试验。采用进行多次拉伸实验，并对实验结果取平均值的方法，以保证实验数据的有效性和合理性。镀镍碳纤维束在不同温度下进行拉伸实验，得到纤维束的最大应力值，相应的结果见表2，分析表2可知：

表2　镀镍碳纤维高温拉伸实验结果

(1)随着温度的升高，镀镍碳纤维束的抗拉强度逐渐减小。在600 ℃时，镀镍碳纤维束的平均抗拉强度为21.51 MPa，已经不具备承载能力。主要原因是高温条件下，首先是镍层与氧反应，随后是碳纤维本身与氧发生化学反应，烧损后的碳纤维呈现多孔结构，如图4所示。这种多孔状的结构用手一捻纤维变成粉末。

(2)与常温下的镀镍碳纤维的抗拉强度相比，在300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃条件下，所对应温度的抗拉强度下降的百分比分别为22.63%、36.89%、54.01%和98.07%.结果表明：PAN基碳纤维与氧发生化学反应，导致镀镍碳纤维束的抗拉强度减小，温度越高，抗拉强度越小。所以在高温状态下，应尽量避免与氧气接触。

图4　600 ℃时碳与氧反应生成多孔结构

2.3　镀镍碳纤维真空高温加热后的拉伸试验

为了研究真空下高温加热对镀镍碳纤维束的抗拉强度的影响，利用FJL560Ⅱ型超真空磁控与离子束联合溅射设备，对镀镍碳纤维束进行800下的真空处理，保温时间20 min，真空下自然冷却，然后在常温下进行拉伸实验，其实验结果见表3.

表3　镀镍碳纤维真空800 ℃加热后拉伸实验结果

观察表3可知：

(1)与600 ℃有氧条件下的镀镍碳纤维束相比，在真空条件下，镀镍碳纤维经历了800 ℃的高温，其室温下的抗拉强度平均值仍然保持在900 MPa以上。由图5可以看出没有出现蜂窝状结构，而且镍层表面变得更加致密。真空状态可以有效保持镀镍碳纤维的抗拉强度，发挥其增强相的作用。

(2)800 ℃真空处理后的镀镍碳纤维的抗拉强度减小了18.44%.主要原因可能是由于碳纤维及镍层本身的缺陷在高温热处理过程中残余热应力增大所导致的。

图5　800 ℃真空加热后的镀镍碳纤维

结果表明，高温真空处理后的镀镍碳纤维可以有效保持镀镍碳纤维的抗拉强度。所以，在利用碳纤维作为增强相制备金属基复合材料时，应尽可能的保持其真空状态，或者采用吹惰性保护气体的方法。

3结论

(1)利用电镀法对PAN基碳纤维进行表面处理，所得金属镍层组织致密、均匀，与碳纤维结合良好，镍层改善了碳纤维对金属液的浸润性、防止界面反应，表面镀镍对碳纤维束的抗拉强度影响不大。

(2)高温有氧条件下，首先是镍层与氧反应，随后碳纤维本身与氧反应，形成蜂窝状结构，使得镀镍碳纤维抗拉强度随着温度的升高而逐渐减小；到600 ℃时，碳镀镍碳纤维已经不具备承载能力。

(3)高温真空处理后的镀镍碳纤维可以有效保持镀镍碳纤维的抗拉强度，发挥其增强相的作用。因此，利用PAN基碳纤维作为增强相制备金属基复合材料时，应尽可能的保持其真空状态，或者采用吹惰性保护气体的方法。

(4)对于真空800 ℃加热后的镀镍碳纤维来说，虽然是无氧条件，但其抗拉强度仍然减少了18.44%，可见提高PAN基碳纤维的质量尤为重要。

参考文献：

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Research on PAN-based Carbon Fiber Plated Nickel and High-temperature Mechanical Properties

JIN Yan-juan，YANG Kun，LI Sheng-jing，ZHANG Zhu，YANG Xue-xia

(School of Applied Science，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：Carbon fiber with Ni coating can not only effectively improve the infiltration between carbon fiber and metal fluid，but also avoid producing interface reaction between aluminum liquid and carbon fiber.Therefore，the nickel layer on the surface of PAN-based carbon fiber and the mechanical properties of nickel-plated carbon fiber at high temperature are studied to explore influence law of mechanical properties of carbon fiber by nickel layer.The results show that nickel layer on the surface of carbon fiber is dense， uniform and is integrated closely with carbon fiber.Nickel-plated PAN-based carbon fiber has little effect on tensile strength of carbon fiber.Ni-coating reacts with oxygen，and forms porous structure at high temperature，which causes tensile strength of nickel-plated carbon fiber decreasing gradually as the temperature rises.High-temperature vacuum processing nickel-plated carbon fibers can effectively maintain tensile strength of nickel-plated carbon fibers.

Key words：PAN-based carbon fiber，nickel-plated，high temperature，mechanical property

中图分类号：TB321

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.01.015

文章编号：1673-2057(2016)01-0068-05

作者简介：晋艳娟(1979-)，女，讲师，主要研究方向为材料成型过程模拟与控制方面的研究；通讯作者：张柱，E-mail：zhangzhu030168@163.com

基金项目：山西省高校科技创新项目(201567)；山西省高等学校大学生创新创业训练项目(2014261)；博士启动基金(20132012)；山西省基础研究项目(2015011002，2015021021)

收稿日期：2015-04-09