碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面金屬化應(yīng)用研究

陳春 黃曉嘉 李立

摘要：通過真空離子鍍和化學(xué)鍍兩種方法對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行表面金屬化處理，獲得了良好的金屬鍍層，鍍層結(jié)合力達(dá)到1級(jí)，表面電阻率從基材的103Ω/□降低到10-3Ω/□，同時(shí)在熱真空和溫度沖擊環(huán)境中進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過表面金屬化方法能夠極大提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，同時(shí)金屬鍍層能夠滿足產(chǎn)品的可靠性要求。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;金屬化;表面電阻率;可靠性

1引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP），具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、環(huán)境適用性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。作為結(jié)構(gòu)材料具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但作為結(jié)構(gòu)功能一體化材料，特別在電子設(shè)備中的應(yīng)用，如天線、微波器件等，由于其導(dǎo)電性差，很難滿足產(chǎn)品的電性能指標(biāo)，應(yīng)用受到限制。

復(fù)合材料表面金屬化方法很多，如真空離子鍍、金屬轉(zhuǎn)移法、噴涂金屬粉末、電鍍、化學(xué)鍍等，各種表面金屬化方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。綜合相關(guān)的研究，選擇對(duì)真空離子鍍、化學(xué)鍍兩種方法進(jìn)行應(yīng)用研究及可靠性分析，尋求適合電子產(chǎn)品的表面金屬化方法。

2樣品制備與測(cè)試方法

2.1 樣品制備

樣件尺寸為3mm×150mm×150mm，表面采用真空離子鍍和化學(xué)鍍，分別對(duì)碳纖維樣件進(jìn)行表面金屬化（Cu）處理。

2.2 測(cè)試方法

通過掃描電子顯微鏡檢測(cè)鍍層厚度及形貌。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)標(biāo)劃格法測(cè)試。

通過四探針測(cè)試儀測(cè)試樣件的表面電阻率。

3試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 鍍層外觀

真空離子鍍與化學(xué)鍍的鍍層外觀如圖1所示。

通過國(guó)標(biāo)劃格法進(jìn)行測(cè)試，兩種方式的鍍層結(jié)合力均為1級(jí)，夠滿足使用需求。

3.2 鍍層SEM形貌

真空離子鍍與化學(xué)鍍的鍍層的微觀形貌，如圖2所示。

從圖中可以看出鍍層均完全與基體材料緊密結(jié)合，厚度能夠均勻分布;由于真空離子鍍是通過電磁場(chǎng)作用沉積，相比化學(xué)鍍更為致密。

3.3表面電阻率

真空離子鍍與化學(xué)鍍的鍍層表面電阻率的結(jié)果如圖3所示。

兩種鍍層方式的鍍層表面電阻率的數(shù)量級(jí)均在10-3Ω/□，相對(duì)于基體材料T300（103Ω/□）而言，降低了6個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)電性能得到極大提高;但兩種鍍層方式的不同導(dǎo)致鍍層致密性差異，使得表面電阻率也存在微小的不同。

4環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

通過對(duì)鍍層質(zhì)量和性能的測(cè)試，兩種金屬化方法均能實(shí)現(xiàn)功能性要求，基于時(shí)間關(guān)系，主要進(jìn)行了熱真空和溫度沖擊試驗(yàn)。

4.1 熱真空試驗(yàn)

4.1.1 鍍層外觀對(duì)比

通過熱真空試驗(yàn)，樣件鍍層基本保持不變，均未出現(xiàn)起層、脫落等現(xiàn)象，表明碳纖維復(fù)合材料經(jīng)過表面金屬化后能夠適應(yīng)熱真空環(huán)境。

4.1.2 鍍層表面電阻率對(duì)比

對(duì)熱真空試驗(yàn)前后的樣件進(jìn)行表面電阻率測(cè)試，對(duì)比結(jié)果見圖4所示。

從整體變化趨勢(shì)來看，鍍層的表面電阻率在熱真空環(huán)境下有所增大;從具體數(shù)據(jù)來看，熱真空環(huán)境對(duì)鍍層的表面電阻率影響較小。表明碳纖維復(fù)合材料經(jīng)過表面金屬化的樣件導(dǎo)電性能在熱真空環(huán)境下基本不受影響。

4.2 溫度沖擊試驗(yàn)

4.2.1 鍍層外觀對(duì)比

通過溫度沖擊試驗(yàn)，兩種類型的鍍層表面均未出現(xiàn)起層、脫落等現(xiàn)象，但均出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。這表明金屬銅鍍層不能直接裸露在溫度沖擊的環(huán)境中，需在采用其他金屬（如Al、Ni等）作為表面鍍層或采用其他的表面防護(hù)方式。

4.2.2 鍍層表面電阻率對(duì)比

對(duì)溫度沖擊試驗(yàn)前后的樣件進(jìn)行表面電阻率測(cè)試，對(duì)比結(jié)果見圖5所示。

鍍層在溫度沖擊環(huán)境下，鍍層被氧化，產(chǎn)生金屬氧化膜，使得表面電阻率有所增大;從具體數(shù)據(jù)來看，在溫度沖擊環(huán)境中，表面電阻率變化量級(jí)均較小，表明經(jīng)過表面金屬化的碳纖維復(fù)合材料能夠在溫度沖擊環(huán)境中達(dá)到性能要求。

5結(jié)論

通過真空離子鍍和化學(xué)鍍兩種方法對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行表面金屬化處理，獲得了良好的金屬鍍層，鍍層結(jié)合力達(dá)到1級(jí)，表面電阻率從基材的103Ω/□降低到10-3Ω/□，同時(shí)在熱真空和溫度沖擊環(huán)境中進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過表面金屬化方法能夠極大提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，同時(shí)金屬鍍層能夠滿足熱真空和溫度沖擊環(huán)境的使用要求。

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（作者單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所）