1、 1 【镀覆技术【镀覆技术/Deposition Technology】DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.03.001 碳纤维化学镀银工艺碳纤维化学镀银工艺 路杨，付翀*，李旭，周雄飞，刘宇昕，李振阳 西安工程大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710048 摘要：摘要：采用以氨水和乙二胺为复合配位剂，葡萄糖和酒石酸钾钠为复合还原剂的镀液对碳纤维表面化学镀银。研究了镀液中AgNO3、葡萄糖和 KOH 的质量浓度对碳纤维化学镀银后增重率的影响。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和 X 射线衍射仪(XRD)分析了碳纤维在不同工序后的表面形貌和元素组成。结果表明，当
2、AgNO3质量浓度为 14 g/L、葡萄糖质量浓度为 8 g/L、KOH 质量浓度为 7 g/L 时，碳纤维的增重率最高，达 125.4%，镀层均匀、连续地覆盖于碳纤维表面，厚度约为 0.305 m。关键词：关键词：碳纤维；化学镀银；预处理；增重率；微观结构 中图分类号：中图分类号：TQ153.1+6 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023)03 0001 06 Electroless silver plating of carbon fiber LU Yang,FU Chong*,LI Xu,ZHOU Xiongfei,LIU Yuxin,LI Zhen
3、yang School of Materials Engineering,Xian Polytechnic University,Xian 710048,China Abstract:Electroless silver plating was conducted on the surface of carbon fiber in a bath composed of aqua ammonia and ethylenediamine as complexing agent,and glucose and potassium sodium tartrate as reducing agent.T
4、he effects of mass concentrations of AgNO3,glucose,and KOH in the bath on mass gain rate of carbon fibers after electroless silver plating were studied.The surface morphology and elemental composition of carbon fiber after being treated by different processes were analyzed by scanning electron micro
5、scopy(SEM),energy-dispersive spectroscopy(EDS),and X-ray diffraction(XRD).The results showed that the mass gain rate of carbon fiber was the highest(up to 125.4%)after electroless plating in the bath containing AgNO3 14 g/L,glucose 8 g/L,and KOH 7 g/L,and the silver coating deposited on the surface
6、of carbon fiber was uniform and complete with a thickness of 0.305 m.Keywords:carbon fiber;electroless silver plating;pretreatment;mass gain rate;microstructure 碳纤维是一种碳含量超过 90%的特种纤维，既保持了碳材料的优良特性，又具备了纤维较高的拉伸强度和可加工性，是一种很好的增强体材料，在航空航天、民用工业领域具有很好的应用前景1-3。但碳纤维表面缺少活性官能团，在基体中容易团聚，与基体的相容性也较差，这限制了碳纤维在复合材料中的应
7、用4-5。因此，碳纤维在应用于复合材料中时一般要预先进行改性，以提高碳纤维与基体之间的结合强度。银具有优良的导电、导热及抗腐蚀性能而常被用于碳纤维改性。化学镀具有成本低廉、操作简单等特点，在材料表面改性中应用广泛6-7。对碳纤维表面化学镀银可以很好地克服以上问题8-9。但是碳纤维化学镀银往往存在反应不充分10、镀液稳定性差11、银利用率低，以及镀银层不致密、均匀性差等问题。因此，如何提高镀液稳定性和银利用率，改善镀银层的品质，是一个亟待解决的问题。本文首先利用稳定性适中的氨水、乙二胺作为双配位剂，与银离子形成稳定配合物，再利用还原性适中的葡萄糖和酒石酸钾钠作为双还原剂，令镀液的稳定性得以提高。
8、通过化学镀银成功地制得了银层覆盖良好、均匀的镀银碳纤维，为其在电子仪器、导电聚合高分子材料和复合材料方面的应用打下基础12-13。1 实验实验 1.1 材料和试剂材料和试剂 碳纤维(长约 1 mm，直径 7 m)：日本东丽公司；十二烷基硫酸钠、过硫酸铵、乙二胺、氯化亚锡、收稿日期：收稿日期：20220802 修回日期：修回日期：20230116 基金项目：基金项目：国家自然科学基金（51401154）；陕西省自然科学基础研究计划（2023-JC-YB-460）；陕西省自然科学基金（2020JQ-829）。第一作者：第一作者：路杨（1997），男，在读硕士研究生，研究方向为碳纤维复合材料。通信作
9、者：通信作者：付翀（1980），男，博士，教授，研究方向为低压触点的制备及电弧侵蚀。引用格式：引用格式：路杨,付翀,李旭,等.碳纤维化学镀银工艺J.电镀与涂饰,2023,42(3):1-6.LU Y,FU C,LI X,et al.Electroless silver plating of carbon fiber J.Electroplating&Finishing,2023,42(3):1-6.碳纤维化学镀银工艺 2 硝酸银、氨水、氢氧化钾、无水葡萄糖、酒石酸钾钠(均为分析纯)：国药集团化学试剂有限公司。1.2 碳纤维预处理碳纤维预处理 1.2.1 除油除油 采用丙酮除油，温度 30，时间
10、 3 h，超声搅拌。1.2.2 粗化粗化(NH4)2S2O8 150 g/L，硫酸 100 mL/L，温度 30，时间 20 min，超声搅拌。1.2.3 敏化敏化 37%浓盐酸 50 mL/L，SnCl22H2O 30 g/L，温度 30 C，时间 20 min，超声搅拌。1.2.4 活化活化 AgNO3 10 g/L，NH3H2O 30 mL/L，温度 30，时间 20 min，超声搅拌。1.3 碳纤维化学镀银碳纤维化学镀银 化学镀银液由银氨溶液和还原液组成，其基础配方为：AgNO3 14 g/L，NH3H2O 60 mL/L，KOH 7 g/L，乙二胺 20 mL/L，葡萄糖 8 g/L
11、，酒石酸钾钠 2.5 g/L，无水乙醇 40 mL/L，聚乙二醇 80 mg/L。银氨溶液配制：向硝酸银溶液中滴加 NH3H2O 直至溶液由浑浊变为澄清，再依次加入定量的 KOH 和乙二胺。还原液配制：将葡萄糖溶液与酒石酸钾钠溶于 50 mL 水中煮沸 15 min，冷却后加入定量的聚乙二醇和无水乙醇。化学镀银过程：在 50 mL 还原液中加入 0.3 g 碳纤维并超声振荡，待碳纤维分散均匀后加入 50 mL 银氨溶液，在 30 下反应 30 min。化学镀银完毕，取出碳纤维并清洗数次，在 50 下干燥 5 h。1.4 性能测试与表征性能测试与表征 采用荷兰FEI公司的 Quanta-450-
12、FEG+X-MAX50 型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察处理前后碳纤维的表面形貌并标定纤维直径，得到镀层厚度；采用 EDAX 公司的 GENESIS XM 型能谱仪(EDS)分析碳纤维微区的元素组成；采用荷兰 Panalytical 公司的 X-Pert Pro 型 X 射线衍射仪(XRD)分析镀银前后碳纤维的物相。按式(1)计算碳纤维的增重率14。211100%mmwm-=(1)式中：w 为碳纤维镀银后的增重率，m1、m2为镀银前、后碳纤维的质量。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 不同因素对碳纤维化学镀银的影响不同因素对碳纤维化学镀银的影响 2.1.1 AgNO3质量浓度质量浓度 AgN
13、O3作为化学镀 Ag 的主盐，其含量显著影响着反应速率。从图 1 可知，当 AgNO3质量浓度为 8 g/L时，碳纤维的增重率较低，说明 Ag 的镀覆量较少；随 AgNO3质量浓度增大，碳纤维的增重率缓慢增大；AgNO3质量浓度高于 12 g/L 时，碳纤维的增重率急剧上升，在 14 g/L 时达到最高增重率 125.4%；随后继续增大 AgNO3质量浓度，碳纤维的增重率反而下降。Ag 具有自催化作用，令化学镀银能够持续进行。当镀液中 Ag+浓度增大时，反应速率增大，镀层随之增厚。但当镀液中 Ag+浓度过高时，镀液容易发生自分解，稳定性变差。因此选择 AgNO3质量浓度为 14 g/L。2.1
14、.2 葡萄糖质量浓度葡萄糖质量浓度 葡萄糖作为还原剂，对化学镀 Ag 过程起着至关重要的作用。增大葡萄糖浓度能够提高 Ag 的沉积速率，但葡萄糖浓度过高时，快速沉积虽然可以节省反应时间，但部分银将会在溶液中析出，碳纤维表面的 Ag 镀层可能会变得粗糙，镀银效率明显下降。从图 2 可知，当葡萄糖质量浓度为 6 g/L 时，碳纤维的增重率较低，说明反应较慢；增大葡萄糖质量浓度到 8 g/L 时，碳纤维的增重率增大到 125.4%；之后随着葡萄糖质量浓度的增大，碳纤维的增重率减小。因此选择葡萄糖的质量浓度为 8 g/L。碳纤维化学镀银工艺 3 81012141645607590105120135w/
15、%(AgNO3)/(gL-1)图图 1 AgNO3质量浓度对碳纤维增重率的影响质量浓度对碳纤维增重率的影响 Figure 1 Effect of mass concentration of AgNO3 on mass gain rate of carbon fiber 68101245607590105120135w/%(C6H12O6)/(gL-1)图图 2 葡萄糖质量浓度对碳纤维增重率的影响葡萄糖质量浓度对碳纤维增重率的影响 Figure 2 Effect of mass concentration of glucose on mass gain rate of carbon fiber
16、2.1.3 KOH 质量浓度质量浓度 从图 3 可知，随着 KOH 质量浓度的增大，碳纤维的增重率呈先增大后减小的变化趋势。在 KOH 质量浓度为 7 g/L 时增重率最大。镀液中 KOH 浓度增大时，生成的银氨配离子增加，提高了镀液的稳定性，并加速AgNO3的还原。但 KOH 浓度过高时，镀液中析出的 Ag 增多，使得碳纤维表面沉积的 Ag 减少，且过量的KOH 与银氨配离子反应会导致镀液稳定性变差。因此选择 KOH 质量浓度为 7 g/L。56782540557085100115130(KOH)/(gL-1)w/%图图 3 KOH 质量浓度对碳纤维增重率的影响质量浓度对碳纤维增重率的影响 Figure 3 Effect of mass concentration of KOH on mass gain rate of carbon fiber 2.2 不同工序后碳纤维的形貌与成分分析不同工序后碳纤维的形貌与成分分析 2.2.1 除油后的碳纤维除油后的碳纤维 由图 4 能够看出除油后碳纤维沿轴向有较浅的凹槽，这是碳纤维在制备过程中的拉拔造成的。碳纤维的组成元素为 C，没有其他杂质。碳