[发明专利]一种碳纤维基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维基复合材料及其制备方法。所述碳纤维基复合材料依次包括碳纤维基体、底涂层和面涂层；所述碳纤维基体为碳纤维管或碳纤维板，所述底涂层为采用电弧离子镀沉积的铜涂层，所述面涂层为金属涂层或金属陶瓷涂层。本发明的碳纤维基复合材料以采用电弧离子镀工艺制备的铜涂层作为底涂层，对碳纤维基体的形状限制小，镀层组织均匀，提高了碳纤维基复合材料的界面结合力；以金属涂层或金属陶瓷涂层作为面涂层，面涂层的成分、厚度和工艺可根据实际需要进行选择，确保了复合材料的功能性，最终实现多样化应用。

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维基复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维诞生于1950s末期，由于其无与伦比的优异性能，如高比强度、高比模量、密度小、耐高温、耐辐射、韧性好、导电导热性好、热膨胀系数小等，而引起人们的广泛关注。然而，与金属材料的优良的导电性、较高的耐磨性、抗高温氧化以及表面可加工性相比，碳纤维复合材料这方面性能就相差很多。因此目前碳纤维的主要用途是作为增强材料，与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维与金属材料复合，既继承了碳纤维的高比强度、高比模量和良好的韧性等优良性能，又能保持金属的特性；但碳纤维与许多金属的润湿性很差，当复合材料承受一定载荷时，容易造成碳纤维剥落和脱离。因此，如何解决碳纤维与金属之间的界面结合问题就是制备金属基碳纤维复合材料的关键。在解决界面问题上，现有的办法主要是金属基体合金化和碳纤维表面金属化。其中，碳纤维表面金属化是目前研究最多的一类方法，其主要的方式有电镀和化学镀，其他还有气相沉积法和离子溅射等方法。电镀法制备碳纤维镀层具有设备简单、镀速快、成本较低、污染小等优点，是一种传统的表面处理方法，而化学镀法具有经济合理、操作性强等优点，是一种新型的表面改性方法。

然而，上述碳纤维表面金属化技术仍存在以下问题：

(1)碳纤维具有疏水性，每束碳纤维都有数千根单丝，当外层纤维率先沉积上金属后，碳纤维外层形成屏蔽电场，使内部纤维难以镀上金属，因此造成碳纤维表面电镀层黑心，影响复合材料的均匀性和粘结强度，从而限制材料的应用。

(2)碳纤维表面化学镀，成本高、工艺繁琐、效率低，而且会在一定程度上对环境产生污染。由于化学镀所得的渡层往往容易受到镀液成本、操作条件等因素影响，工业生产中，镀层品质不稳定。

(3)实际应用中，碳纤维以板材或管材的形状应用较多，现有公开信息显示碳纤维表面金属化主要以在单根线性的碳纤维上的研究居多，离实际应用的距离较远。

(4)不论是电镀还是化学镀，在碳纤维上沉积的镀层厚度都非常有限，一般不超过5μm，难以满足工程应用。

基于目前的碳纤维表面金属化技术存在的问题，有必要设计一种厚度可变、成分可变的管型或板型碳纤维复合材料结构及其制备方法，不仅解决了金属层与碳纤维结合力差的问题，还使金属化后表面沉积的涂层厚度及成分可变，满足工程化需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种碳纤维基复合材料及其制备方法，该碳纤维基复合材料中碳纤维基体与铜涂层具有良好的结合力，且金属化后表面沉积的涂层厚度及成分可变，满足工程化需求。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种碳纤维基复合材料，依次包括碳纤维基体、底涂层和面涂层；所述碳纤维基体为碳纤维管或碳纤维板，所述底涂层为采用电弧离子镀沉积的铜涂层，所述面涂层为金属涂层或金属陶瓷涂层。

本发明的碳纤维基复合材料采用底涂层+面涂层的设计，以铜涂层作为底涂层，确保了碳纤维基复合材料的界面结合力稳定，以金属涂层或金属陶瓷涂层作为面涂层，面涂层的成分、厚度和工艺根据实际需要进行选择，确保了复合材料的功能性，最终实现多样化应用。