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碳纤维增强环氧树脂复合材料的化学镀镍工艺研究

作　者: 赵文渊
导　师: 张胜全
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料学
关键词: 化学镀镍工艺配方正交试验沉积速度镀层性能复合镀层
分类号: TQ153.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)凭借其具有轻质、耐高温、抗腐蚀、优良的耐疲劳性等特点已在越来越多的领域替代传统的金属材料。但树脂基复合材料存在耐磨性差、易变性和缺乏金属光泽等缺点，在一定程度上限制了其使用范围。由于化学镀层具有良好的耐蚀性、耐磨性、硬度高和镀层厚度均匀等优点。因此本实验采用化学镀镍的表面处理方法对碳纤维增强树脂基复合材料进行表面金属化，以增强基体材料表面硬度及提升其耐磨耐腐蚀性能。本论文通过对碳纤维增强环氧树脂复合材料化学镀镍的镀前预处理工艺中粗化、敏化、活化工艺的探讨和镀层外观性能的检测，确定粗化、敏化、活化工艺的最佳时间和温度；通过单因素试验确定镀液工作时的最佳pH值和温度及镀液成分含量的大致范围；接着采用正交试验的方法，研究了碳纤维增强环氧树脂复合材料化学镀Ni-P合金的最优镀液配方组分，并对所得最优组镀件采用XRD、SEM和EDS进行了测试分析及耐腐蚀性能测试；最后研究了化学镀Ni-P/SiC复合镀层的工艺及性能，确定了SiC微粒的最佳添加量，对最优镀液配方下所得的Ni-P合金镀层和Ni-P/SiC复合镀层的耐腐蚀性进行对比分析。实验结果表明：化学镀镍镀液最佳配方为：硫酸镍32g/L；次亚磷酸钠30g/L；乳酸21ml/L；乙酸钠16g/L。最佳镀液配方所得镀层硬度为520HV，且为非晶态结构，P元素含量为11.88%，是耐腐蚀性能较好的高磷含量镀层。化学镀Ni-P/SiC复合镀层的SiC粒子添加量为8g/L时复合镀层性能最佳。硬度为680HV，且镀层属非晶态结构。Tafel极化曲线证明Ni-P合金镀层的耐腐蚀性优于Ni-P/SiC复合镀层的耐腐蚀性。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-25
  1.1 碳纤维及其复合材料概述  11-14
    1.1.1 碳纤维的结构、特性及分类  11-12
    1.1.2 碳纤维增强复合材料  12-13
    1.1.3 碳纤维增强环氧树脂复合材料(EP/CF)的性能与应用  13-14
  1.2 化学镀镍  14-24
    1.2.1 化学镀镍原理  14-16
      1.2.1.1 原子氢态理论  15
      1.2.1.2 氢化物传输理论  15
      1.2.1.3 电化学理论  15-16
    1.2.2 化学镀镍溶液的分类及组成  16-17
    1.2.3 化学镀镍技术的国内外研究概况  17-18
    1.2.4 化学镀镍技术展望  18-19
    1.2.5 化学镀镍磷合金镀层的性能及其应用  19-21
    1.2.6 化学镀 Ni-P 合金镀层的前景展望  21-22
    1.2.7 化学镀镍工艺的种类及其优缺点  22-24
  1.3 本课题研究的目的、意义及研究思路  24-25
第2章实验方法  25-31
  2.1 实验原料、试剂及设备  25-26
  2.2 基体材料镀前预处理步骤及工艺流程  26-27
  2.3 化学镀镍液的配制  27-28
  2.4 化学镀镍装置  28
  2.5 镀层性能测试  28-31
    2.5.1 外观检测  28
    2.5.2 结合力测试  28-29
    2.5.3 硬度测量  29
    2.5.4 沉积速度  29
    2.5.5 镀层表面形貌的金相显微观察  29
    2.5.6 镀层扫描电镜(SEM)观察及能谱检测(EDS)分析  29
    2.5.7 镀层表面 XRD 检测  29-30
    2.5.8 镀层耐蚀性检测  30-31
第3章碳纤维增强环氧树脂复合材料化学镀镍预处理工艺研究  31-39
  3.1 前言  31
  3.2 粗化工艺  31-32
    3.2.1 化学粗化的特点  31-32
    3.2.2 化学粗化的作用原理  32
    3.2.3 化学粗化的工艺条件  32
  3.3 粗化工艺对碳纤维增强环氧树脂复合材料化学镀镍的影响  32-35
    3.3.1 实验过程  32
    3.3.2 结果与讨论  32-35
      3.3.2.1 不同粗化温度的镀层质量及结合力测试  33
      3.3.2.2 不同粗化时间的镀层结合力测试  33
      3.3.2.3 粗化程度与镀层结合力的关系分析  33-35
  3.4 敏化、活化工艺  35-36
    3.4.1 敏化机理  35-36
    3.4.2 活化机理  36
  3.5 敏化、活化工艺对碳纤维增强环氧树脂复合材料化学镀镍的影响  36-37
    3.5.1 实验过程  36
    3.5.2 结果与讨论  36-37
      3.5.2.1 不同敏化时间对镀层的影响  36-37
      3.5.2.2 不同活化时间对镀层的影响  37
  3.6 本章小结  37-39
第4章碳纤维增强环氧树脂复合材料化学镀镍工艺参数的确定  39-49
  4.1 实验过程与实验方案  39
  4.2 结果与讨论  39-43
    4.2.1 工艺参数对沉积速率的影响  39-41
      4.2.1.1 施镀温度对沉积速率的影响  39-40
      4.2.1.2 pH 值对沉积速率的影响  40-41
    4.2.2 镀液成分对沉积速率的影响  41-43
      4.2.2.1 硫酸镍浓度对沉积速率的影响  41
      4.2.2.2 次亚磷酸钠浓度对沉积速率的影响  41-42
      4.2.2.3 乳酸浓度对沉积速率的影响  42-43
      4.2.2.4 乙酸钠浓度对沉积速率的影响  43
  4.3 正交试验  43-44
  4.4 结果与讨论  44-47
    4.4.1 正交试验结果分析  44-45
    4.4.2 最优组镀层微观形貌分析  45-46
    4.4.3 最优组镀层成分分析  46-47
    4.4.4 最优组镀层 XRD 分析  47
    4.4.5 最优组镀层耐腐蚀性能  47
  4.5 本章小结  47-49
第5章碳纤维增强环氧树脂复合材料的表面化学复合镀 Ni-P/SiC 工艺研究  49-57
  5.1 实验过程与实验方案  49-50
  5.2 实验结果与讨论  50-52
    5.2.1 镀液中 SiC 含量对复合镀层中 SiC 析出量的影响  50-51
    5.2.2 镀液中 SiC 含量对复合镀层显微硬度的影响  51
    5.2.3 镀液中 SiC 含量对复合镀层的外观及表面粒子分布的影响  51-52
  5.3 Ni-P/SIC 复合镀层性能测试  52-55
    5.3.1 Ni-P/SiC 复合镀层的沉积速率及结合强度的测定  52
    5.3.2 Ni-P/SiC 复合镀层扫描电镜(SEM)及 X 射线能谱仪(EDS)分析  52-54
    5.3.3 Ni-P/SiC 复合镀层的 XRD 分析  54
    5.3.4 耐腐蚀性能测试  54-55
  5.4 本章小结  55-57
结论  57-58
参考文献  58-62
致谢  62-63
硕士期间发表的论文  63

碳纤维增强环氧树脂复合材料的化学镀镍工艺研究

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