工藝參數(shù)對(duì)連續(xù)碳纖維表面 電磁攪拌化學(xué)鍍鎳的影響

喬英銘，甘春雷，曲迎東，王順成，曲彥平

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng) 110870；2.廣東省材料與加工研究所，廣州 510650）

碳纖維是一種含碳量90%以上的特種纖維，因其兼具拉伸強(qiáng)度高、拉伸模量高、熱膨脹系數(shù)低、抗摩擦、密度低、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等優(yōu)良特性，在航空航天、交通運(yùn)輸、體育器械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]。碳纖維作為增強(qiáng)體，與金屬基體材料進(jìn)行復(fù)合后，可開(kāi)發(fā)出性能大幅度提高的新型復(fù)合材料[4-5]。但在與金屬基體結(jié)合的過(guò)程中，碳纖維存在易團(tuán)聚，與基體潤(rùn)濕性差，在高溫條件下易與基體發(fā)生反應(yīng)并在界面處生成脆性化合物等問(wèn)題[6-8]，這不僅提高了復(fù)合材料的制備難度，而且惡化了其力學(xué)性能。相關(guān)研究表明，在碳纖維表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳是解決上述問(wèn)題的有效方法[9-10]，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量研究，取得了部分成果。如Xue Y. L.等[11]研究了鍍鎳碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)鎳層與銅基體之間發(fā)生了冶金結(jié)合，顯著提高了鍍鎳后碳纖維與銅合金的潤(rùn)濕性。Sanchez 等[12]將化學(xué)鍍鎳后的短碳纖維加入到6061鋁合金溶液中，發(fā)現(xiàn)形成的鎳鍍層不僅使碳纖維 被鋁溶液潤(rùn)濕，而且有效抑制了脆性化合物 Al4C3的形成。

然而，對(duì)于連續(xù)碳纖維化學(xué)鍍鎳仍存在著如下問(wèn)題。一方面，連續(xù)碳纖維束絲在鍍液中分散性差，在鍍覆的過(guò)程中，中心部位的纖維束絲無(wú)法被鎳顆粒附著，易發(fā)生黑心現(xiàn)象；另一方面，鍍覆過(guò)程中，鎳鹽與還原劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中形成的大量氫氣泡會(huì)將連續(xù)碳纖維束向上推至鍍液表面，使之不能自發(fā)地完全浸泡在鍍液內(nèi)部，大大降低了鍍覆效率。目前，使碳纖維在鍍液中分散的普遍方法為向鍍液中加入分散劑或者引入超聲波。曾文清等[13]通過(guò)對(duì)比分別經(jīng)CMC 分散劑和超聲波分散處理后的碳纖維化學(xué)鍍鎳微觀形貌發(fā)現(xiàn)，超聲波分散方法比CMC 分散方法對(duì)碳纖維的分散效果更好。姚懷等[14]采用分散劑與超聲波相結(jié)合的方法對(duì)碳纖維進(jìn)行分散，結(jié)果表明化學(xué)鍍鎳后的碳纖維無(wú)黑心現(xiàn)象。這些方法雖然能促進(jìn)碳纖維束在鍍液中的分散，但仍難以解決連續(xù)碳纖維在鍍液中易漂浮的難題。因此，連續(xù)碳纖維表面化學(xué)鍍鎳的方法仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。

鑒于此，本文通過(guò)在化學(xué)鍍液中引入外加電磁攪拌的方式，對(duì)連續(xù)碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍鎳。該方法可使連續(xù)碳纖維始終維持在鍍液中央的漩渦中旋轉(zhuǎn)鍍覆，提高了鍍覆效率。與此同時(shí)，鍍覆時(shí)因反應(yīng)產(chǎn)生的大量微氣泡受到鍍液旋轉(zhuǎn)的作用，迅速積聚在各條纖維的不同位置，使各條纖維之間產(chǎn)生了局部壓強(qiáng)差，從而在一定程度上促進(jìn)了碳纖維彼此之間的分散。本文重點(diǎn)研究施鍍時(shí)間、鍍液溫度、鍍液pH 值以及電磁攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)碳纖維表面微觀形貌及鍍層沉積速率的影響規(guī)律，為連續(xù)碳纖維的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

連續(xù)碳纖維為日本東麗公司生產(chǎn)，型號(hào)為T(mén)700S- 12K，直徑7 μm，密度1.8 g/cm3，拉伸強(qiáng)度4900 MPa，拉伸模量230 GPa。實(shí)驗(yàn)過(guò)程均采用500 mL 規(guī)格的燒杯盛裝鍍液，燒杯高度為12 cm，所鍍覆的每根連續(xù)碳纖維長(zhǎng)度為10 cm。

1.2 碳纖維表面預(yù)處理

碳纖維在化學(xué)鍍之前需進(jìn)行表面預(yù)處理，程序包括除油、粗化、中和、敏化、活化[15]，使碳纖維表面附著一層鈀金屬，從而促進(jìn)鍍液中鎳的沉積。各預(yù)處理液的具體成分及處理工藝如表1 所示。

表1 預(yù)處理液成分及處理工藝 Tab.1 Composition of pretreatment solution and processing technology

1.3 碳纖維化學(xué)鍍鎳

鍍液成分為：25 g/L 六水合硫酸鎳、30 g/L 次亞磷酸鈉、20 g/L 無(wú)水乙酸鈉、15 g/L 二水合檸檬酸三鈉、20%氫氧化鈉、0.04 g/L 氯化鉛，所有化學(xué)試劑均為分析純。首先將配制好的化學(xué)鍍液倒入500 mL規(guī)格的燒杯中，然后把裝有鍍液的燒杯放置于電磁攪 拌器的中心部位，開(kāi)始加熱，升溫至實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度時(shí)，把經(jīng)過(guò)表面預(yù)處理的連續(xù)碳纖維放置于鍍液中，再設(shè)定好所需轉(zhuǎn)速，最后在鍍液中央處，連續(xù)碳纖維束隨著鍍液旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始施鍍。為了研究各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)碳纖維化學(xué)鍍的影響，在鍍覆過(guò)程中保持一個(gè)工藝參數(shù)變化，其余的工藝參數(shù)不變。實(shí)驗(yàn)所制定的碳纖維施鍍工藝參數(shù)方案如表2 所示。

表2 碳纖維化學(xué)鍍鎳工藝參數(shù)方案 Tab.2 Programs of technical parameters for electroless nickel plating on carbon fibers

1.4 碳纖維鍍層的表征

采用JSM-5600 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察碳纖維的表面形貌以及碳纖維與鍍層之間的界面結(jié)合情況，通過(guò)EDS 能譜測(cè)試鍍層的主要元素組成以及各個(gè)組成元素的分布情況。為表征鍍層沉積情況，利用式(1)計(jì)算鍍層沉積速率。

式(1)中：v 為沉積速率，μm/min；d 為鍍層厚度，μm；t 為沉積時(shí)間，min。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)組成元素分析

圖1 為碳纖維表面經(jīng)預(yù)處理后的XPS 圖譜。根據(jù)XPS 檢測(cè)到的元素峰可判定，預(yù)處理后的碳纖維表面主要包含C、O、Cl、Sn、Pd 元素，其中在483～ 500 eV 以及393～410 eV 的結(jié)合能峰位區(qū)間觀察到較微弱的Sn 元素峰信號(hào)和極其微弱的Pd 元素峰信號(hào)（Sn、Pd 元素峰的強(qiáng)弱與Sn、Pd 化學(xué)預(yù)處理液濃度大小一致），這表明碳纖維經(jīng)預(yù)處理后，表面附著的Sn、Pd 離子會(huì)在后續(xù)化學(xué)鍍過(guò)程中起到關(guān)鍵的催化誘導(dǎo)作用，使得化學(xué)鍍得以順利進(jìn)行。

圖2 為在施鍍時(shí)間20 min、鍍液溫度75 ℃、鍍液pH 值8、攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min 的條件下獲得的鍍鎳碳纖維鍍層微觀形貌圖以及鍍層局部區(qū)域的EDS 能譜圖。由能譜圖可見(jiàn)，鍍層的化學(xué)組成元素為C、O、P、Ni。Ni 元素為鍍層的主要組成元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為83.32%和61.28%。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，鍍層中存在P 元素沉積，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)及原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為8.73%和12.17%。因此，也可將鍍層稱(chēng)之為Ni-P 合金鍍層[16]。

圖3 為施鍍時(shí)間20 min、鍍液溫度75 ℃、鍍液pH 值8、攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min 時(shí)，鍍鎳碳纖維的橫截面微觀形貌及元素面掃描。由圖3a 可見(jiàn)，鍍層沿 著纖維的圓周均勻地包裹著纖維表面，鍍層厚度為4.01 μm。圖3b—e 展示了鍍鎳碳纖維橫截面EDS 面掃描結(jié)果，從圖中可分別觀察到C、O、P、Ni 元素在鍍層區(qū)域內(nèi)的分布情況。其中Ni 元素在鍍層區(qū)域的含量最多，且分布較密集；P 元素在鍍層區(qū)域的含量較少，且分布較稀疏。

2.2 施鍍時(shí)間對(duì)碳纖維化學(xué)鍍鎳的影響

圖4 為不同施鍍時(shí)間時(shí)鍍鎳碳纖維表面的微觀形貌（其余工藝參數(shù)見(jiàn)表2 中方案1）。從圖中可以看出，當(dāng)施鍍時(shí)間為10 min 時(shí)，碳纖維表面出現(xiàn)許多漏鍍區(qū)域；當(dāng)施鍍時(shí)間為15 min 時(shí)，碳纖維表面被鎳鍍層完全包覆，且鍍層相對(duì)平整光滑；當(dāng)施鍍時(shí)間為20～30 min 時(shí)，鍍層表面因逐漸沉積了越來(lái)越多的胞狀鎳顆粒而變得越來(lái)越粗糙。此外，由施鍍時(shí)間對(duì)鍍層厚度的影響（見(jiàn)圖5）可知，隨著施鍍時(shí)間的增加，鍍層厚度逐漸增加。

分析以上現(xiàn)象認(rèn)為，碳纖維經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，表面被一層貴金屬鈀附著。隨后在化學(xué)鍍的初始階段，由于金屬鈀具有很高的催化活性，鍍液中游離的鎳離子優(yōu)先向鈀所在的位置靠攏，以鈀作為活性形核中心開(kāi)始形核，反應(yīng)隨即進(jìn)入誘導(dǎo)時(shí)期。誘導(dǎo)期的反應(yīng)速度很慢，纖維與鍍液之間無(wú)明顯反應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)這些鎳離子形核完畢后，誘導(dǎo)期結(jié)束，反應(yīng)進(jìn)入加速期。此時(shí)鎳離子立刻受到周?chē)Z金屬的誘導(dǎo)，迅速與其發(fā)生氧化還原反應(yīng)，被還原成鎳單質(zhì)，造成鎳晶核迅速長(zhǎng)大，其發(fā)生的離子反應(yīng)方程式如式(2)。加速期階段反應(yīng)較劇烈，碳纖維表面逐漸被鎳鍍層所包覆，但由于施鍍時(shí)間較短，纖維表面出現(xiàn)未鍍覆的缺陷區(qū)域，如圖4a 所示。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，碳纖維表面的鈀金屬由于不斷地還原鎳離子而被逐漸地消耗，反應(yīng)速度逐漸下降，反應(yīng)處于減速期階段，碳纖維在經(jīng)歷加速以及減速階段后，其表面已經(jīng)全部被鍍層所包裹，且鍍層相對(duì)光滑，如圖4b 所示。當(dāng)鈀金屬幾乎消耗殆盡時(shí)， 反應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定期階段，此時(shí)鍍速平緩且穩(wěn)定，鍍液中的反應(yīng)依然能持續(xù)發(fā)生，主要是依靠鍍液中剩余的鎳離子與次亞磷酸根離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其離子反應(yīng)方程式如式(3)，從而析出大量形狀不規(guī)則的Ni-P胞狀顆粒，隨機(jī)地沉積在鎳鍍層表面，如圖4c 所示。隨著施鍍時(shí)間的進(jìn)一步增加，胞狀顆粒的數(shù)量顯著增多，如圖4d 所示，因此鍍層厚度也隨之持續(xù)增大。 具體的碳纖維在預(yù)處理階段表面的演變過(guò)程以及鎳 鍍層從施鍍誘導(dǎo)期到穩(wěn)定期的演變過(guò)程如圖6 所示。根據(jù)圖4 判斷出，施鍍時(shí)間為15 min 和20 min 時(shí)的鍍層形貌完整均勻，因此最佳施鍍時(shí)間為15～20 min。

2.3 溫度對(duì)碳纖維化學(xué)鍍鎳的影響

溫度也是影響化學(xué)鍍的主要因素之一，由于鍍覆時(shí)的反應(yīng)需要熱能催動(dòng)，因此要求達(dá)到一定的溫度點(diǎn)才能促使反應(yīng)順利進(jìn)行[17-19]。圖7 為不同鍍液溫度下碳纖維鍍層SEM 形貌圖（其余化學(xué)鍍工藝參數(shù)見(jiàn)表2 方案2）。由圖可以看出，當(dāng)鍍液溫度為55 ℃時(shí)，鍍層表面未出現(xiàn)特別大的胞狀顆粒，其原因是鎳離子無(wú)法得到充足的能量，很難擴(kuò)散到碳纖維表面，與鈀進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。此外，由于溫度不夠高，鍍液內(nèi) 次亞磷酸根離子還原鎳離子的反應(yīng)難以進(jìn)行，造成鍍液反應(yīng)速度低，鍍層的沉積速率也隨之降低。當(dāng)溫度升高至65 ℃和75 ℃時(shí)，鍍層表面沉積的鎳顆粒增多，此時(shí)鎳離子獲得充足的能量，能夠擴(kuò)散到碳纖維表面進(jìn)行形核并長(zhǎng)大，此時(shí)鍍液的沉積速率增大，易形成致密且光滑的鍍層。當(dāng)溫度為85 ℃時(shí)，鍍層表面沉積了大量不同尺寸的胞狀鎳顆粒[20]，造成凹凸不平。這是因?yàn)?，過(guò)高的溫度使鍍層沉積速率大幅提高，鍍液變得不穩(wěn)定，容易分解。由圖8 溫度對(duì)鍍層沉積速率的影響可知，隨著溫度的升高，鍍層沉積速率不斷增大，因此選擇合適的溫度范圍是保證施鍍過(guò)程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

圖7 中鍍液溫度為65 ℃和75 ℃時(shí)的鍍層形貌均致密且光滑，其外觀形貌相差不大。但從圖8 可知，鍍液溫度為75 ℃時(shí)的鍍層沉積速率要比65 ℃時(shí)的高，在獲得相同厚度鍍層的條件下，75 ℃的鍍液溫度下用時(shí)較短，一定程度上提高了鍍覆效率，因此本實(shí)驗(yàn)確定了最佳的鍍液溫度為75 ℃。

2.4 pH 值對(duì)碳纖維化學(xué)鍍鎳的影響

鍍液的pH 值大小是影響化學(xué)鍍的關(guān)鍵因素之 一[21-22]。圖9 為不同鍍液pH 值時(shí)的碳纖維鍍層形貌（其余化學(xué)鍍工藝參數(shù)見(jiàn)表2 方案3）。由圖可以看出，pH 值為7 時(shí)，鍍液反應(yīng)速率較低，細(xì)小的鎳顆 粒較均勻地沉積在碳纖維表面。當(dāng)pH 值為8 時(shí)，鍍 液反應(yīng)速率適中，碳纖維表面鍍層比較致密均勻。當(dāng)pH 值升至9 時(shí)，鍍液反應(yīng)速率加快，鍍層表面開(kāi)始沉積了大量的胞狀鎳顆粒，鍍層變得更加粗糙不均。由此可判斷，隨著pH 值的不斷增加，化學(xué)鍍反應(yīng)越來(lái)越劇烈，鍍層的沉積速率也隨之增加。其原因是：1）在施鍍過(guò)程中，次亞磷酸鈉還原鎳的總離子反應(yīng)方程式為(4)式，由于該反應(yīng)的總吉布斯自由能ΔG＜0，該反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)pH 值不斷增大時(shí)，鍍液內(nèi)的OH-濃度不斷增大，造成OH-與反應(yīng)生成的H+發(fā)生中和反應(yīng)，H+被不斷消耗，促進(jìn)反應(yīng)向右進(jìn)行，從而快速沉積出鎳單質(zhì)，并不斷生成氫氣。2）鍍液中逐步升高的OH-濃度會(huì)使氧化還原反應(yīng)的電池電動(dòng)勢(shì)E 變大（E 為正值），催動(dòng)著H2PO2-與H2O 發(fā)生反應(yīng)生成Had（活性氫），其反應(yīng)方程式如(5)式所 示[23]。此時(shí)OH-能夠與H+發(fā)生中和反應(yīng)，進(jìn)一步加快了反應(yīng)式右邊Had 的不斷生成。大量的Had 憑借自身的催化活性，將鎳離子催化成鎳單質(zhì)，將自身轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃狻＞唧w的化學(xué)鍍鎳動(dòng)力學(xué)方程式如(6)和(7)式所示[24]。

然而，當(dāng)pH 值過(guò)大時(shí)，OH-直接與H2PO2-反應(yīng) 生成HPO32-，與Ni2+反應(yīng)生成Ni(OH)2沉淀，然后與Ni2+反應(yīng)再生成NiHPO3黑色沉淀，所涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式如式(8)—(10)所示。反應(yīng)過(guò)程中，部分Ni(OH)2以及NiHPO3沉淀會(huì)隨機(jī)附著在鍍層表面，因而造成鍍層表面十分粗糙，如圖9d 所示。因此，過(guò)低以及過(guò)高的鍍液pH 值均不利于電磁攪拌化學(xué)鍍的進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)確定最佳的鍍液pH 值為8。

2.5 電磁攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)碳纖維化學(xué)鍍鎳的影響

2.5.1 電磁攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)鍍層沉積速率的影響

圖10 為電磁攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)鍍層沉積速率的影響。由圖可以看出，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速?gòu)?200 r/min 增加到300 r/min 時(shí)，碳纖維鍍層沉積速率隨著攪拌轉(zhuǎn)速的逐漸增加而增大；但超過(guò)300 r/min 以后，碳纖維鍍層沉積速率呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。分析認(rèn)為：攪拌轉(zhuǎn)速增大的同時(shí)，更大的電流會(huì)迅速流入環(huán)繞在燒杯四周的電磁線(xiàn)圈內(nèi)，因而電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大。鍍液中的Ni2+由于受到鍍液旋轉(zhuǎn)的慣性作用會(huì)繞著鍍液軸向碳纖維束的位置做平面圓周運(yùn)動(dòng)，這時(shí)Ni2+運(yùn)動(dòng)的軌跡與磁場(chǎng)方向垂直，因而也受到了方向與Ni2+運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速度V 方向垂直且指向鍍液軸向中心位置的洛倫茲力FL的作用。此外，Ni2+還受到來(lái)自碳纖維表面金屬Pd 的吸附力F(Pd)作用，F(xiàn)L與F(Pd)的合力F合提供了Ni2+做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。

為進(jìn)一步說(shuō)明，圖11 給出了鍍液中鎳離子隨著 攪拌轉(zhuǎn)速變化所呈現(xiàn)的不同運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。當(dāng)攪拌 轉(zhuǎn)速較小，磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱時(shí)，F(xiàn)合所提供的向心力遠(yuǎn)大于Ni2+所需的向心力mV2/R 即F合＞mV2/R，此時(shí)Ni2+勻速圓周運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)會(huì)立刻發(fā)生改變，朝向鍍液中心的碳纖維處偏移。隨著攪拌轉(zhuǎn)速以及磁場(chǎng)強(qiáng)度的逐漸增加，Ni2+的線(xiàn)速度V 逐漸增大，從而以更短的時(shí)間偏聚到碳纖維處。因此當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min 以下時(shí)，碳纖維鍍層沉積速率隨著攪拌轉(zhuǎn)速的逐漸增加而增大，在F合＞mV2/R 情況下的偏移路線(xiàn)如圖11 中Route1— 2 所示。然而，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速增加到300 r/min 以后，F(xiàn)L與Ni2+所需的向心力mV2/R 都顯著增大，但mV2/R增加的幅度超過(guò)FL增加的幅度，并且此時(shí)F合＜mV2/R，之后大量Ni2+完全擺脫了向心力的作用，最終發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)而被迫遠(yuǎn)離碳纖維，偏移路線(xiàn)如圖 11 中Route3 所示。因此，攪拌轉(zhuǎn)速超過(guò)300 r/min 后，碳纖維鍍層沉積速率開(kāi)始下降。

2.5.2 電磁攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)鍍鎳碳纖維微觀形貌的影響

圖12 為不同攪拌轉(zhuǎn)速下制備的鍍鎳碳纖維微觀形貌（其余化學(xué)鍍工藝參數(shù)見(jiàn)表2 方案4）。由圖可見(jiàn)，不施加電磁攪拌情況下（0 r/min），每條碳纖維表面鍍層十分粗糙不均，多處出現(xiàn)大量鎳顆粒堆積現(xiàn)象，此外還存在碳纖維局部未鍍覆的缺陷（見(jiàn)圖12a）。其原因是，連續(xù)碳纖維束在鍍覆時(shí)會(huì)始終漂浮在鍍液的表面處，碳纖維束與鍍液接觸的一側(cè)會(huì)受到鎳顆粒源源不斷地沉積，從而造成鍍層表面鎳顆粒堆積；而碳纖維束未與鍍液接觸的一側(cè)因無(wú)法與鍍液充分反 應(yīng)，從而造成碳纖維表面出現(xiàn)未鍍覆的現(xiàn)象。在施加電磁攪拌情況下所制備的鍍鎳碳纖維微觀形貌如圖12b—e 所示，可以看出鎳鍍層均勻致密，未出現(xiàn)嚴(yán)重的鎳顆粒堆積現(xiàn)象以及未鍍覆的缺陷區(qū)域。將圖 12b—e（200、300、350、400 r/min）與圖7c（250 r/min）的鍍層表面形貌進(jìn)行對(duì)比可看出，由于攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)的鍍層沉積速率最快，因此其鍍層形貌最粗糙。攪拌轉(zhuǎn)速為200、250 r/min 時(shí)的鍍層形貌要比350、400 r/min 時(shí)的鍍層形貌更加光滑均勻，因此最佳的攪拌轉(zhuǎn)速的范圍在200～250 r/min 之間。

2.6 鍍鎳連續(xù)碳纖維束的宏觀形貌

圖13 為采用最優(yōu)的工藝參數(shù)制備的鍍鎳連續(xù)碳纖維束的宏觀形貌，可發(fā)現(xiàn)碳纖維束的內(nèi)部無(wú)黑心現(xiàn)象，鍍層呈現(xiàn)亮灰色，金屬光澤明顯。說(shuō)明電磁攪拌輔助化學(xué)鍍方法能實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維的有效鍍鎳，解決了連續(xù)碳纖維在鍍覆過(guò)程中的黑心現(xiàn)象，為進(jìn)一步推廣連續(xù)碳纖維的工程應(yīng)用提供了依據(jù)。

3 結(jié)論

1）當(dāng)鍍液溫度、pH 值、攪拌轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著施鍍時(shí)間的不斷升高，碳纖維表面鍍層逐漸變得均勻完整，且鍍層厚度逐漸增大。但當(dāng)施鍍時(shí)間達(dá)到30 min，鍍層表面沉積了大量形狀不一的胞狀鎳顆粒，形成粗糙的表面形貌。文中合適的施鍍時(shí)間范圍為15～20 min。

2）鍍液溫度對(duì)連續(xù)碳纖維電磁攪拌化學(xué)鍍鎳的鍍層沉積速率有顯著的影響，當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，隨著鍍液溫度的不斷升高，鍍層沉積速率不斷增大。過(guò)低的溫度（如鍍液溫度為55 ℃時(shí)）不足以提供鍍液內(nèi)鎳離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)的能量，過(guò)高的溫度（如鍍液溫度為85 ℃時(shí)）會(huì)大幅提高鍍層的沉積速率，造成許多大尺寸的鎳顆粒附著在鍍層表面。文中合適的鍍液溫度為75 ℃。

3）在堿性鍍覆條件下，鍍液pH 值大小對(duì)連續(xù)碳纖維電磁攪拌化學(xué)鍍鎳的鍍層沉積速率有顯著的影響，當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，隨著鍍液pH 值的不斷上升，鍍層沉積速率不斷增大。過(guò)低的鍍液pH 值（如pH 為7 時(shí)）會(huì)使鍍層沉積速度緩慢，降低了鍍覆效率，而過(guò)高的鍍液pH 值（如pH 為9 時(shí)）會(huì)使鍍層沉積速度過(guò)快，造成鍍層表面十分粗糙不均，并且過(guò)高的pH 值還會(huì)促使鍍液中Ni(OH)2沉淀與NiHPO3沉淀的生成，從而造成鍍液極其不穩(wěn)定，易發(fā)生分解。適中的鍍液pH 值代表著適中的鍍層沉積速率，有利于得到表面均勻且光滑的鎳鍍層。文中合適的鍍液pH 值為8。

4）不施加電磁攪拌對(duì)連續(xù)碳纖維表面化學(xué)鍍鎳，其鍍層表面十分不均勻且存在漏鍍現(xiàn)象；在施加電磁攪拌后，鍍層表面變得均勻且漏鍍現(xiàn)象消失。隨著電磁攪拌轉(zhuǎn)速的不斷增加，鍍層沉積速率先呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。適中的電磁攪拌轉(zhuǎn)速有利于得到光滑、致密的鍍層。文中 200～ 250 r/min 的攪拌轉(zhuǎn)速較為合適。