玻璃纖維表面化學鍍鈷-鐵-磷合金

李茸 *，周萬城，王思力

（1.西安高科技研究所603 室，陜西 西安 710025；2.西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072）

表面金屬化的玻璃纖維具有兼容性好、質量輕等優(yōu)點，可以用作電磁干擾屏蔽填充物以及纖維增強金屬復合材料。玻璃纖維本身是一種性能優(yōu)異的無機 非金屬材料，耐高溫、耐腐蝕，化學穩(wěn)定性好，作為增強性材料在未來吸波材料應用中具有發(fā)展?jié)摿1-2]。

玻璃纖維表面金屬化的方法很多，由于化學鍍法工藝設備簡單、污染較低，以及可以在非導體基體上進行沉積，而得到人們重視。玻璃纖維表面金屬化多以沉積鎳基合金為主，如Ni-Fe-P[3]、Ni-Co-P[4]、Ni-P[5-6]；也有少量在玻璃纖維表面沉積Cu[7]的報道。近年來由于對鍍層要求的多樣化，改善其金屬特性也越來越受到人們重視，由于金屬鈷與鐵一樣具有很高的磁性能，但其居里溫度達到1 150 °C，因此金屬鈷及鈷基多元合金作為磁性材料和電磁屏蔽材料的研究日漸受到人們的關注。關于玻璃纖維表面化學鍍鈷基合金的研究逐漸增多，如Co-P[8]、Cu-Co-P[9]、Ni-Co-P[10]等。時刻等人[11]曾在玻璃纖維表面化學鍍Ni-Co-Fe-P合金，研究少量金屬鐵對鍍層導電性能的影響。目前關于玻璃纖維表面化學鍍金屬Co 基Co-Fe-P 合金鍍層的報道鮮有見到。本文介紹了一種在玻璃纖維基體上堿性高溫化學鍍Co-Fe-P 合金的工藝，并對所得Co-Fe-P 合金鍍層的結合力、厚度、成分及吸波性能進行了的測試。

1 化學鍍Co-Fe-P 合金工藝

1.1 工藝流程

除膠─除油─水洗─粗化─水洗─活化─解膠─還原─化學鍍─水洗─晾干。

1.2 前處理

1.2.1 除膠

體積分數(shù)為30%的丙酮溶液，常溫浸泡5～6 h。

1.2.2 除油

采用無水乙醇，在超聲波下常溫浸泡10 min。

1.2.3 粗化

50 g/L 的NH4F 溶液，在超聲波下常溫浸泡5 min。

1.2.4 活化

采用自制膠體鈀活化液對玻纖維進行活化，25～30 °C 浸泡3 min

1.2.5 解膠

體積分數(shù)為10%的鹽酸溶液，25～30 °C浸泡0.5 min。

1.2.6 還原

質量分數(shù)為3%的次磷酸鈉溶液，常溫浸泡0.5 min。

1.3 化學鍍

CoCl2·6H2O 0.045 mol/L

FeSO4·7H2O 0.005 mol/L

NaH2PO2·H2O 0.2 mol/L

Na3C6H5O7·2H2O 0.2 mol/L

NH4Cl 0.5 mol/L

添加劑A 0.3 mg/L

θ85 °C

pH 10～11

裝載量 15 g/L

鍍覆完成的玻璃纖維在低溫(40 °C)真空干燥6～8 h。

2 化學鍍Co-Fe-P 合金鍍層的性能

市售無堿玻璃纖維(直徑23 μm 左右，長度90 mm左右)施鍍60 min 后，對鍍層性能進行測試。

2.1 鍍層結合力

采用熱震法[12]測定鍍層結合力。將鍍好的纖維加熱至200 °C 后，在室溫水中激冷，連續(xù)循環(huán)5 次，之后用放大鏡觀察鍍層是否有起皮、裂紋及剝落的現(xiàn)象，以定性評價鍍層的結合力。

測試結果說明，在玻璃纖維表面上所制Co-Fe-P合金鍍層均勻完整，無開裂、起皮及脫落現(xiàn)象(見圖1)，鍍層的抗熱沖擊強度高，結合力良好。

圖1 玻璃纖維上Co-Fe-P 合金化學鍍層的表面形貌Figure 1 Surface morphology of electroless plated Co-Fe-P alloy coating on glass fiber

2.2 鍍層厚度

采用JEM-5600LV 掃描電子顯微鏡(SEM)對鍍覆Co-Fe-P 合金后的玻璃纖維橫截面進行觀察，如圖2所示。由圖可知，鍍層的厚度為1.0～1.5 μm。

2.3 鍍層成分分析

圖2 玻璃纖維上Co-Fe-P 合金化學鍍層的截面形貌Figure 2 Cross-sectional morphology of electroless plated Co-Fe-P alloy coating on glass fiber

采用JEM-5600LV 掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀 (EDS)對Co-Fe-P 鍍層的表面和截面(見圖2中A、B兩點)進行點掃描能譜分析，所得結果見表1。從中可以看出，鍍層主要組成為Co、Fe 和P 元素，且兩測試點的分析結果相差不大，說明玻璃纖維表面均勻覆蓋了一層Co-Fe-P 合金鍍層。檢測到的Ca、Si、Mg 等元素應該是玻璃的成分。

表1 玻璃纖維表面Co-Fe-P 合金鍍層的元素組成Table 1 Elemental composition of electroless plated Co-Fe-P alloy coating on glass fiber surface

2.4 吸波性能

將待測纖維剪短為22.86 mm，采用波導法對纖維在8.2～12.4 GHz 頻率范圍內的電磁參數(shù)進行測試[13]。把質量分數(shù)占10%的測試纖維均勻分散在熔融石蠟中，然后澆鑄到銅質法蘭(尺寸為10.16 mm × 22.86 mm × 2 mm)里后制得樣品，測試設備為Agilent Technologies HP8510B 矢量網絡分析儀。參考文獻[14]和[15]，以測試的電磁參數(shù)為基礎，計算纖維對X 波段的微波反射率，分析其吸波性能。

圖3是含及不含化學鍍Co-Fe-P 合金鍍層的玻璃纖維與石蠟的混合樣品對8.2～12.4 GHz 波段電磁波的吸收曲線。由圖可見，與無鍍覆玻璃纖維的試樣相比，化學鍍Co-Fe-P 合金玻璃纖維試樣對X 波段電磁波的反射損失有所提高。無鍍覆玻璃纖維試樣對8.2～10.0 GHz 頻段電磁波的反射損失基本沒有，最大反射損失在12 GHz(損失量為3 dB 左右)；含鍍覆Co-Fe-P合金玻璃纖維的試樣在8.2～12.4 GHz 波段的反射損失整體提高了3.5 dB，8.2～10 GHz 頻段范圍內的吸收提高了4.5 dB，最大反射損失在8.2 GHz(損失量為6 dB左右)。從反射損失可以判斷，沉積Co-Fe-P 合金鍍層改變了玻璃纖維的電磁性能，使其對8.2～12.4 GHz 波段的電磁波有一定的吸收能力。因此，表面沉積Co-Fe-P 合金鍍層的玻璃纖維作為吸波材料的增強型填充物，有利于其與其他微波吸收劑的匹配。

圖3 化學鍍Co-Fe-P 合金前后玻璃纖維的微波吸收曲線Figure 3 Electromagnetic wave absorbing curves of glass fibers before and after electroless Co-Fe-P alloy plating

3 結論

在玻璃纖維表面成功沉積了Co、Fe、P 的質量分數(shù)分別約為90%、4.1%和4.5%的Co-Fe-P 合金鍍層。該鍍層在玻璃纖維表面覆蓋均勻、完整，結合力良好，對8.2～12.4 GHz 波段電磁波有一定的吸收能力。沉積Co-Fe-P 合金鍍層的玻璃纖維可以用作微波吸收材料的增強材料。

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