碳纖維增強復合材料表面金屬化應用研究

陳春 黃曉嘉 李立

摘要：通過真空離子鍍和化學鍍兩種方法對碳纖維增強復合材料進行表面金屬化處理，獲得了良好的金屬鍍層，鍍層結合力達到1級，表面電阻率從基材的103Ω/□降低到10-3Ω/□，同時在熱真空和溫度沖擊環境中進行了可靠性驗證。結果表明，通過表面金屬化方法能夠極大提高碳纖維增強復合材料的導電性能，同時金屬鍍層能夠滿足產品的可靠性要求。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料;金屬化;表面電阻率;可靠性

1引言

碳纖維增強復合材料（CFRP），具有輕質、高強度、高模量、環境適用性好等特點，廣泛應用于航空、航天等領域。作為結構材料具有絕對的優勢，但作為結構功能一體化材料，特別在電子設備中的應用，如天線、微波器件等，由于其導電性差，很難滿足產品的電性能指標，應用受到限制。

復合材料表面金屬化方法很多，如真空離子鍍、金屬轉移法、噴涂金屬粉末、電鍍、化學鍍等，各種表面金屬化方法各有優缺點。綜合相關的研究，選擇對真空離子鍍、化學鍍兩種方法進行應用研究及可靠性分析，尋求適合電子產品的表面金屬化方法。

2樣品制備與測試方法

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鍍，分別對碳纖維樣件進行表面金屬化（Cu）處理。

2.2 測試方法

通過掃描電子顯微鏡檢測鍍層厚度及形貌。

測試標準參照國標劃格法測試。

通過四探針測試儀測試樣件的表面電阻率。

3試驗結果及討論

3.1 鍍層外觀

真空離子鍍與化學鍍的鍍層外觀如圖1所示。

通過國標劃格法進行測試，兩種方式的鍍層結合力均為1級，夠滿足使用需求。

3.2 鍍層SEM形貌

真空離子鍍與化學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合，厚度能夠均勻分布;由于真空離子鍍是通過電磁場作用沉積，相比化學鍍更為致密。

3.3表面電阻率

真空離子鍍與化學鍍的鍍層表面電阻率的結果如圖3所示。

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

4環境適應性驗證

通過對鍍層質量和性能的測試，兩種金屬化方法均能實現功能性要求，基于時間關系，主要進行了熱真空和溫度沖擊試驗。

4.1 熱真空試驗

4.1.1 鍍層外觀對比

通過熱真空試驗，樣件鍍層基本保持不變，均未出現起層、脫落等現象，表明碳纖維復合材料經過表面金屬化后能夠適應熱真空環境。

4.1.2 鍍層表面電阻率對比

對熱真空試驗前后的樣件進行表面電阻率測試，對比結果見圖4所示。

從整體變化趨勢來看，鍍層的表面電阻率在熱真空環境下有所增大;從具體數據來看，熱真空環境對鍍層的表面電阻率影響較小。表明碳纖維復合材料經過表面金屬化的樣件導電性能在熱真空環境下基本不受影響。

4.2 溫度沖擊試驗

4.2.1 鍍層外觀對比

通過溫度沖擊試驗，兩種類型的鍍層表面均未出現起層、脫落等現象，但均出現氧化現象。這表明金屬銅鍍層不能直接裸露在溫度沖擊的環境中，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方式。

4.2.2 鍍層表面電阻率對比

對溫度沖擊試驗前后的樣件進行表面電阻率測試，對比結果見圖5所示。

鍍層在溫度沖擊環境下，鍍層被氧化，產生金屬氧化膜，使得表面電阻率有所增大;從具體數據來看，在溫度沖擊環境中，表面電阻率變化量級均較小，表明經過表面金屬化的碳纖維復合材料能夠在溫度沖擊環境中達到性能要求。

5結論

通過真空離子鍍和化學鍍兩種方法對碳纖維增強復合材料進行表面金屬化處理，獲得了良好的金屬鍍層，鍍層結合力達到1級，表面電阻率從基材的103Ω/□降低到10-3Ω/□，同時在熱真空和溫度沖擊環境中進行了可靠性驗證。結果表明，通過表面金屬化方法能夠極大提高碳纖維增強復合材料的導電性能，同時金屬鍍層能夠滿足熱真空和溫度沖擊環境的使用要求。

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（作者單位：中國電子科技集團公司第二十九研究所）