PAN基碳纖維表面鍍鎳及高溫力學性能研究

晉艷娟，楊　昆，李盛靜，張　柱，楊雪霞

(太原科技大學 應用科學學院，太原 030024)

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PAN基碳纖維表面鍍鎳及高溫力學性能研究

晉艷娟，楊昆，李盛靜，張柱，楊雪霞

(太原科技大學 應用科學學院，太原 030024)

摘要：碳纖維表面鍍鎳不但可以有效提高碳纖維與金屬液間的浸潤性，而且可以避免高溫狀態(tài)下金屬鋁與碳纖維發(fā)生界面反應?；诖?，對PAN基碳纖維表面鍍鎳和鍍鎳碳纖維在高溫下的力學性能進行研究，探究鎳層對碳纖維力學性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：碳纖維表面的金屬鎳層致密、均勻，與碳纖維緊密結(jié)合，表面鍍鎳對碳纖維束的抗拉強度影響不大；高溫狀態(tài)下鍍鎳碳纖維與氧發(fā)生反應，形成孔狀結(jié)構(gòu)，導致鍍鎳碳纖維抗拉強度隨著溫度的升高而逐漸減小；高溫真空處理后的鍍鎳碳纖維可以有效保持鍍鎳碳纖維的抗拉強度。

關鍵詞：PAN基碳纖維；鍍鎳；高溫；力學性能

金屬基復合材料(Metal Matrix Composites，MMC)的研究起步于20世紀60年代，與樹脂基復合材料相比，金屬基復合材料除了具有高比強度、高比模量和低熱膨脹系數(shù)等特點外，還具有耐高溫、橫向強度和剛度高、高導熱與導電率、抗輻射等優(yōu)點，因而受到國內(nèi)外研究者的高度重視，在航空、航天、軍事和汽車等領域顯示出巨大的應用潛力[1-2]。目前，金屬基復合材料有鋁基、鎂基、鈦基、鎳基、高溫合金基和銅基等，增強纖維有碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維和金屬合金絲等。碳纖維力學性能優(yōu)異且密度小，是目前可作為金屬基復合材料增強相的高性能連續(xù)纖維中價格最便宜的一種，一般用于耐熱、輕型結(jié)構(gòu)材料的增強纖維[3-5]。碳纖維作為增強相時，首選石墨纖維，而選PAN基碳纖維作為金屬基復合材料增強相的研究報道較少[6-7]。從降低碳纖維增強金屬基復合材料的原材料成本的角度出發(fā)，通過對PAN基碳纖維進行適當處理后，將其作為增強相加入金屬基體，制備材料性能要求不是很高的金屬基復合材料，可能是一種不錯的選擇，非常有利于碳纖維增強金屬基復合材料在民用領域的推廣應用。

制備纖維增強金屬基復合材料的方法有很多種[8-9]，如加壓鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、粉末冶金法、擴散粘接法和超聲波焊接技術等，但無論采取何種方法制備金屬基復合材料，都會使碳纖維處于高溫狀態(tài)，為此，碳纖維的高溫力學性能，將直接影響碳纖維增強金屬基復合材料的最終力學性能[10]。

碳纖維與鋁液間的浸潤性及界面結(jié)合強度是得到高性能復合材料的前提條件。表面鍍鎳的碳纖維可以有效提高碳纖維與金屬液間的浸潤性，而且可以避免高溫狀態(tài)下金屬鋁與碳纖維發(fā)生界面反應，生成脆性相。因此，本文選取PAN基碳纖維作為研究對象，首先對其進行表面鍍鎳處理，然后研究鍍鎳碳纖維在室溫、高溫有氧和真空高溫加熱狀態(tài)下的拉伸力學性能，探索鎳層對碳纖維力學性能的影響規(guī)律，為PAN基碳纖維在金屬基復合材料中的推廣應用提供理論基礎。

1碳纖維表面鍍鎳

在碳纖維增強鋁基復合材料中碳纖維表面與金屬基體潤濕性差，并且高溫下與鋁發(fā)生化學反應，直接影響鋁基復合材料的最終力學性能。采用表面金屬化方法可有效改善碳纖維與鋁基體間的界面結(jié)合問題。目前，對纖維進行表面金屬化處理的方法有：化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、電鍍和表面噴涂等。

圖1　鍍鎳碳纖維的橫截面

本文實驗中的PAN基碳纖維均購自天津飛榮達科技有限公司。利用該公司提供的電鍍技術對12 K國產(chǎn)普通PAN基碳纖維進行表面鍍鎳處理。利用電子顯微鏡對鍍鎳碳纖維的橫截面進行觀察，如圖1所示，圖中發(fā)亮部分為鎳層，金屬鎳層組織致密、均勻，鎳層與碳纖維結(jié)合較好，碳纖維橫截面并非標準圓截面，鍍鎳碳纖維單絲直徑8.4 μm，鎳層厚度0.7 μm.

2鍍鎳碳纖維拉伸性能試驗

利用高低溫拉伸試驗機和真空加熱爐對12 K鍍鎳碳纖維復絲分別進行了室溫拉伸、高溫有氧條件下拉伸和真空800 ℃加熱后室溫拉伸，加載速率均為0.5 mm/min.

2.1　鍍鎳碳纖維室溫拉伸試驗

碳纖維束和鍍鎳碳纖維束在室溫(20 ℃)拉伸作用下的力-位移曲線分別如圖2所示。選取力的最大值除以纖維束的橫截面面積，得到纖維束的最大應力值，相應的結(jié)果見表1.

圖2　碳纖維和鍍鎳碳纖維在20 ℃溫度時的拉伸曲線

實驗編號纖維表面最大抗拉強度/MPa抗拉強度平均值/MPa7鍍鎳1147.039鍍鎳1020.0110鍍鎳1160.5514鍍鎳1122.491112.5211未鍍鎳1116.9212未鍍鎳1189.3413未鍍鎳1096.491134.24

對比圖2中各條曲線，可知：

(1)鍍鎳碳纖維束的拉伸曲線波動明顯，未鍍鎳碳纖維束拉伸曲線比較光滑；鍍鎳碳纖維束在加載上升段時，每次波動中基本包含兩次小波動。出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因是：在拉伸作用下，纖維束中每根纖維的長度很難保證完全相等，相對較短的纖維首先發(fā)生斷裂，因而出現(xiàn)了加載過程中的波動現(xiàn)象。對于鍍鎳碳纖維束中的每根單絲，由于碳纖維的彈性模量遠遠高于鎳層的彈性模量，所以碳纖維承受大部分載荷，鎳層僅僅承受很小部分的載荷。結(jié)合圖3可以看出，在變形量相同的條件下，首先鎳層發(fā)生斷裂，然后纖維絲斷裂，這主要是由于鎳層的抗拉強度較低且塑性較差所引起的。

(2)由表1可以看出，在常溫條件下鍍鎳碳纖維束的抗拉強度(1 112.52 MPa)與未鍍鎳碳纖維束的抗拉強度(1 134.24 MPa)基本相近，說明碳纖維表面鍍鎳對碳纖維束抗拉強度的影響不大。

圖3　鍍鎳碳纖維斷裂過程電鏡圖

2.2　鍍鎳碳纖維高溫有氧條件下的拉伸試驗

為了研究氧氣對鍍鎳碳纖維束的抗拉強度的影響，分別在300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃對12 K鍍鎳碳纖維束進行高溫拉伸性能試驗。采用進行多次拉伸實驗，并對實驗結(jié)果取平均值的方法，以保證實驗數(shù)據(jù)的有效性和合理性。鍍鎳碳纖維束在不同溫度下進行拉伸實驗，得到纖維束的最大應力值，相應的結(jié)果見表2，分析表2可知：

表2　鍍鎳碳纖維高溫拉伸實驗結(jié)果

(1)隨著溫度的升高，鍍鎳碳纖維束的抗拉強度逐漸減小。在600 ℃時，鍍鎳碳纖維束的平均抗拉強度為21.51 MPa，已經(jīng)不具備承載能力。主要原因是高溫條件下，首先是鎳層與氧反應，隨后是碳纖維本身與氧發(fā)生化學反應，燒損后的碳纖維呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，如圖4所示。這種多孔狀的結(jié)構(gòu)用手一捻纖維變成粉末。

(2)與常溫下的鍍鎳碳纖維的抗拉強度相比，在300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃條件下，所對應溫度的抗拉強度下降的百分比分別為22.63%、36.89%、54.01%和98.07%.結(jié)果表明：PAN基碳纖維與氧發(fā)生化學反應，導致鍍鎳碳纖維束的抗拉強度減小，溫度越高，抗拉強度越小。所以在高溫狀態(tài)下，應盡量避免與氧氣接觸。

圖4　600 ℃時碳與氧反應生成多孔結(jié)構(gòu)

2.3　鍍鎳碳纖維真空高溫加熱后的拉伸試驗

為了研究真空下高溫加熱對鍍鎳碳纖維束的抗拉強度的影響，利用FJL560Ⅱ型超真空磁控與離子束聯(lián)合濺射設備，對鍍鎳碳纖維束進行800下的真空處理，保溫時間20 min，真空下自然冷卻，然后在常溫下進行拉伸實驗，其實驗結(jié)果見表3.

表3　鍍鎳碳纖維真空800 ℃加熱后拉伸實驗結(jié)果

觀察表3可知：

(1)與600 ℃有氧條件下的鍍鎳碳纖維束相比，在真空條件下，鍍鎳碳纖維經(jīng)歷了800 ℃的高溫，其室溫下的抗拉強度平均值仍然保持在900 MPa以上。由圖5可以看出沒有出現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，而且鎳層表面變得更加致密。真空狀態(tài)可以有效保持鍍鎳碳纖維的抗拉強度，發(fā)揮其增強相的作用。

(2)800 ℃真空處理后的鍍鎳碳纖維的抗拉強度減小了18.44%.主要原因可能是由于碳纖維及鎳層本身的缺陷在高溫熱處理過程中殘余熱應力增大所導致的。

圖5　800 ℃真空加熱后的鍍鎳碳纖維

結(jié)果表明，高溫真空處理后的鍍鎳碳纖維可以有效保持鍍鎳碳纖維的抗拉強度。所以，在利用碳纖維作為增強相制備金屬基復合材料時，應盡可能的保持其真空狀態(tài)，或者采用吹惰性保護氣體的方法。

3結(jié)論

(1)利用電鍍法對PAN基碳纖維進行表面處理，所得金屬鎳層組織致密、均勻，與碳纖維結(jié)合良好，鎳層改善了碳纖維對金屬液的浸潤性、防止界面反應，表面鍍鎳對碳纖維束的抗拉強度影響不大。

(2)高溫有氧條件下，首先是鎳層與氧反應，隨后碳纖維本身與氧反應，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，使得鍍鎳碳纖維抗拉強度隨著溫度的升高而逐漸減?。坏?00 ℃時，碳鍍鎳碳纖維已經(jīng)不具備承載能力。

(3)高溫真空處理后的鍍鎳碳纖維可以有效保持鍍鎳碳纖維的抗拉強度，發(fā)揮其增強相的作用。因此，利用PAN基碳纖維作為增強相制備金屬基復合材料時，應盡可能的保持其真空狀態(tài)，或者采用吹惰性保護氣體的方法。

(4)對于真空800 ℃加熱后的鍍鎳碳纖維來說，雖然是無氧條件，但其抗拉強度仍然減少了18.44%，可見提高PAN基碳纖維的質(zhì)量尤為重要。

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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

中圖分類號：TB321

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.01.015

文章編號：1673-2057(2016)01-0068-05

作者簡介：晉艷娟(1979-)，女，講師，主要研究方向為材料成型過程模擬與控制方面的研究；通訊作者：張柱，E-mail：zhangzhu030168@163.com

基金項目：山西省高校科技創(chuàng)新項目(201567)；山西省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(2014261)；博士啟動基金(20132012)；山西省基礎研究項目(2015011002，2015021021)

收稿日期：2015-04-09