本發(fā)明涉及碳化硅(SiC)纖維的表面處理，尤其是涉及一種碳化硅纖維表面電鍍鎳的方法。

背景技術：

連續(xù)纖維增強金屬基復合材料是一類新型復合材料。它是由力學性能優(yōu)異的連續(xù)纖維作為增強體，與金屬基體復合而成。增強纖維一般為低密度、高強度、耐高溫的陶瓷纖維。由于纖維的加入，使得復合材料具有密度低、高比強度、高比模量、耐高溫、高導電性、高導熱性等優(yōu)異的綜合性能，在先進武器、航空航天、核能及電氣等領域有著廣闊的應用前景。例如，連續(xù)纖維增強鈦合金復合材料已被國外用于噴氣發(fā)動機葉片、傳動軸等重要零件；連續(xù)纖維增強鋁基復合材料已被國外用于噴氣式戰(zhàn)斗機垂直尾翼平衡和尾翼梁、汽車空調(diào)器箱、小型壓力容器及核聚變反應器；連續(xù)纖維增強鎳基復合材料也正在研發(fā)之中(王濤，趙宇新，等.連續(xù)纖維增強金屬基復合材料研制進展及關鍵問題[J].航空材料學報，2013,33(2):87-96；于化順.金屬基復合材料及其制備技術[M].北京:化學工業(yè)出版社，2006,50)。

連續(xù)纖維增強金屬基復合材料一般采用液態(tài)鑄造法制備，即金屬需要在高溫下熔融，而后(在壓力的作用下)流經(jīng)填充好纖維織物的固定模具，冷卻后獲得所需形狀的復合材料。該法所用到的連續(xù)增強纖維大多為無機纖維，如碳纖維、石英纖維、SiC纖維、硼纖維等。這些纖維與液態(tài)金屬的浸潤性有限，導致復合材料中纖維與基體界面黏合性能差，復合材料力學性能差；另外，某些纖維與基體合金在高溫下有可能發(fā)生劇烈的化學反應，造成纖維的損傷，從而損失復合材料的性能。

在纖維表面預先制備金屬涂層是解決上述問題的有效途徑。纖維表面金屬化處理不僅能夠有效改善纖維與金屬基體間的潤濕性和相容性，還可以防止后續(xù)復合處理對纖維的損害，從而提高復合材料的性能。金屬鎳是目前研究較為成熟的涂層材料，主要原因是其具有良好的熱穩(wěn)定性和物理化學穩(wěn)定性，而且能與各種金屬基體具有良好的浸潤性。連續(xù)纖維的表面鍍鎳的方法主要有電鍍、化學鍍、磁控濺射法等。其中電鍍法具有設備簡單、成本低廉、效率高、易于控制和可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，受到應用行業(yè)的青睞。

目前，用于金屬鍍鎳的纖維主要是有機纖維、石英纖維和碳纖維。有機纖維和石英纖維均為絕緣材料，導電性能差，不能直接實施電鍍，通常采用化學鍍的方法制備金屬涂層，或采用先化學鍍、再電鍍的復合工藝。如方東升等人采用化學鍍技術，實現(xiàn)了芳綸纖維表面鍍鎳(方東升，孫勇，等.芳綸纖維表面化學鍍鎳的研究[J].化工新型材料，2013，41(2):60-62)；白立曉等人在石英光纖表面先化學鍍Ni-P，再電鍍Ni，成功實現(xiàn)了石英纖維的表面金屬化(白立曉，石英光纖表面化學鍍Ni-P和電鍍Ni聯(lián)合工藝研究.南昌大學碩士學位論文，2007.)?；瘜W鍍工藝的特點是需要對施鍍表面進行粗化、敏化和活化處理(活化處理需要貴金屬試劑)，與電鍍相比，其工藝復雜，且成本高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。碳纖維是可以直接實施電鍍的纖維材料，主要原因是碳纖維由于具有較低的電阻率(低于10^-2Ω·cm)。目前已有較多針對碳纖維的表面金屬化的研究(萬里鷹，堯章福.碳纖維表面連續(xù)電鍍鎳的研究[J].南昌航空大學學報，2015,29(2):57-61；呂曉軒，呂春祥，等.碳纖維表面電鍍鎳研究[J].化工新型材料，2011,39(8):89-91；韓笑，周玉璽，等.電鍍時間對碳纖維表面電鍍鎳的影響[J].電鍍與涂飾，2014,33(9):363-365；徐先鋒，洪龍龍，等.碳纖維表面電鍍鎳和化學鍍鎳研究[J].功能材料，2013，增刊(Ⅱ)(44):264-267；呂曉軒，呂春祥，等.陽極氧化對碳纖維電鍍鎳的影響[J].新型碳材料，2010,25(6)：454-459)。碳纖維雖然適合作為直接電鍍的襯底，但后續(xù)制備金屬基復合材料的工藝是在金屬的熔融溫度下實施的，碳纖維容易在高溫下與金屬鍍層發(fā)生反應，且其高溫抗氧化性差，會導致力學性能的嚴重喪失，最終降低了金屬基復合材料的性能。因此，尋求熱物理化學穩(wěn)定性更好的增強體是金屬基復合材料制備的迫切需求。

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的碳化硅(SiC)纖維具有輕質(zhì)、高強、高模、耐高溫、抗氧化等優(yōu)異性能。與碳纖維相比，其直徑略大(約14μm)，且與金屬在高溫下的相容性更好，不容易發(fā)生表面反應，因此是高性能金屬基復合材料的理想增強纖維。該纖維的制備技術是由日本東北大學Yajima教授在1975年發(fā)明的(S.Yajima,J.Hayashi,M.Omori.Continuous Silicon Carbide fiber of tensile strength[J].Chemical Letters,1975(9):931)。其主要技術路線是：首先合成聚碳硅烷先驅(qū)體；聚碳硅烷經(jīng)熔融紡絲制備原纖維；原纖維經(jīng)熱空氣交聯(lián)進行不熔化處理；最后在保護氣氛下(Ar或N₂)高溫處理得到SiC纖維。利用該技術路線制得的SiC纖維電阻率可在較大范圍內(nèi)變化，遠高于碳纖維的電阻率范圍，使其導電性能與碳纖維仍存在顯著差異。另外，SiC纖維的表面形貌及電化學狀態(tài)與碳纖維也不同，為較難鍍的基材。因此，SiC纖維與碳纖維電鍍的原理及具體工藝均不相同。

截至目前為止，尚未見報道直接在SiC纖維表面電鍍鎳的研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種碳化硅纖維表面電鍍鎳的方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)將連續(xù)SiC纖維裁剪，得到定長的連續(xù)SiC纖維；

在步驟1)中，所述連續(xù)SiC纖維可采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的連續(xù)SiC纖維；所述裁剪可按照需求長度進行裁剪。

2)將連續(xù)SiC纖維進行熱處理脫膠，得到脫膠后的SiC纖維；

在步驟2)中，所述熱處理脫膠可將連續(xù)SiC纖維置于多孔石墨坩堝內(nèi)，再將該坩堝放入管式爐內(nèi)進行熱處理脫膠，以5℃/min的速度升溫至500～700℃，并保溫0.5h，而后隨爐冷卻。

3)將脫膠后的SiC纖維置于NaOH溶液中煮沸，沖洗后，得到除油污后的SiC纖維；

在步驟3)中，所述NaOH溶液的摩爾濃度可為1mol/L；所述煮沸的時間可為10～30min；所述沖洗可采用蒸餾水沖洗至少3次，

4)把除油污后的SiC纖維放入硝酸水溶液中浸泡進行酸腐蝕，讓其表面粗糙化，以提高其表面能，增強鍍層與纖維間的結合力，從硝酸水溶液取出后，再沖洗，得到表面粗化后的SiC纖維；

在步驟4)中，所述硝酸水溶液的質(zhì)量分數(shù)可為65％，所述浸泡的時間可為15～45min，所述沖洗可采用蒸餾水沖洗至少3次。

5)將表面粗化后的SiC纖維干燥，得到預處理的干燥SiC纖維；

在步驟5)中，所述干燥可將表面粗化后的SiC纖維放入真空干燥箱內(nèi)，50～70℃干燥10～30min。

6)配制電鍍液，將步驟5)得到的預處理的干燥SiC纖維作為陰極，金屬鎳板作為陽極，置于電鍍液中，在100～200mA的恒定直流電流作用下，通電1～10min后，預處理的干燥SiC纖維表面形成一層光亮致密的鎳金屬涂層，實現(xiàn)碳化硅纖維表面電鍍鎳。

在步驟6)中，所述電鍍液的組成可為：硫酸鎳100～350g/L，氯化鎳50～80g/L，硼酸30～45g/L，十二烷基硫酸鈉0.05～0.2g/L，其中，硫酸鎳為電沉積提供鎳源，氯化鎳為陽極活化劑，硼酸為pH緩沖劑，十二烷基硫酸鈉為防針孔劑；所述電鍍液的pH可為3～4，溫度可為25～60℃；所述電鍍液的pH調(diào)節(jié)，可通過滴加氨水和HCl溶液調(diào)節(jié)電鍍液的pH值；電鍍液pH的調(diào)節(jié)是實施電鍍的關鍵步驟之一，改變?nèi)芤簆H值可改變基材表面電荷狀態(tài)，進而改變其對于金屬鎳離子的吸附能力，由于結構的特殊性，SiC纖維具有特殊的等電點(pHiep＝2～3)，需要將pH值限定在較窄的范圍內(nèi)才能實現(xiàn)電鍍，這是SiC纖維與其他纖維材料的主要區(qū)別之一；將電鍍液的溫度調(diào)整為25～60℃是施鍍溫度的精確控制，也是對SiC纖維實施電鍍的關鍵步驟之一，這主要有兩方面原因：其一，溫度對電鍍速度有顯著的影響，調(diào)節(jié)溫度可控制電鍍速度；其二，SiC纖維的電阻率遠高于碳纖維，同樣的施鍍電流下，SiC纖維的實時功率更大，放熱更顯著，因此需要通過控制溶液溫度來調(diào)節(jié)SiC纖維的放熱現(xiàn)象，避免鍍速過快。對于高電阻率的SiC纖維，需要降低鍍液溫度來控制鍍速；在100～200mA的恒定直流電流作用下，電鍍液(H)中的鎳離子在預處理的干燥SiC纖維(E)表面發(fā)生還原反應，通電1～10min后，預處理的干燥SiC纖維表面可形成一層光亮致密的鎳金屬涂層，調(diào)控電流是對SiC纖維實施電鍍的又一關鍵步驟，SiC纖維的電阻率處于100～107Ω·cm之間，不同的電阻率對應不同的施鍍電流，電阻率越高，所需施鍍電流越大，需針對不同電阻率的SiC纖維實施電流控制。

本發(fā)明利用電解原理，以金屬鎳板為陽極，SiC纖維為陰極，直接在SiC纖維表面沉積出細致緊密、孔隙率小、厚度均勻且可控的金屬鎳鍍層。該方法工藝路線簡單，成本低廉，所制得的鍍鎳SiC纖維可用做金屬導線以及金屬基復合材料的增強體。

在本發(fā)明中，以先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的連續(xù)SiC纖維為襯底，利用電解原理，在SiC纖維表面沉積一層致密、細晶、厚度均勻可控的鎳金屬涂層。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)采用電鍍技術，在連續(xù)SiC纖維表面獲得鎳金屬涂層。該工藝路線具有設備簡單、成本低廉、效率高，易于工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點；

(2)在本發(fā)明規(guī)定的工藝條件下，SiC纖維具有合適的表面粗糙度和電化學狀態(tài)，在SiC纖維上獲得的金屬鎳涂層具有細晶、致密、孔隙率小、厚度均勻且與鍍層結合良好的特點；

(3)本發(fā)明制備的鍍鎳層厚度可控，且纖維之間不橋接，使得鍍鎳后的SiC纖維強度和編織性能不產(chǎn)生顯著降低，有望作為金屬導線以及高性能金屬基復合材料的增強體使用。

附圖說明

圖1為電鍍10min后獲得的鍍鎳SiC纖維表面形貌圖。

圖2為電鍍10min后獲得的鍍鎳SiC纖維截面形貌圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

(1)將電阻率為10Ω·cm連續(xù)SiC纖維按照需求長度進行裁剪，得到定長的連續(xù)SiC纖維(A)；

(2)將連續(xù)SiC纖維(A)置于多孔石墨坩堝內(nèi)，再將該坩堝放入管式爐內(nèi)進行熱處理脫膠：以5℃/min的速度升溫至600℃，并在600℃保溫0.5h，而后隨爐冷卻，得到脫膠后的SiC纖維(B)；

(3)將脫膠后的SiC纖維(B)置于1mol/L的NaOH溶液中煮沸15min，以除去其表面的有機和無機附著物，再用蒸餾水沖洗3次以上，得到除油污后的SiC纖維(C)；

(4)把除油污后的SiC纖維(C)放入質(zhì)量分數(shù)為65％的硝酸的水溶液中進行酸腐蝕，讓其表面粗糙化，以提高其表面能，增強鍍層與纖維間的結合力。浸泡30min后，將其從硝酸溶液中取出，再用蒸餾水沖洗3次以上，得到表面粗化后的SiC纖維(D)。

(5)將表面粗化后的SiC纖維(D)放入真空干燥箱內(nèi)，60℃干燥15min，得到預處理的干燥SiC纖維(E)。

(6)配制電鍍液(F)，電鍍液中各物質(zhì)的濃度分別為：硫酸鎳160g/L，氯化鎳80g/L，硼酸30g/L，十二烷基硫酸鈉0.1g/L。

(7)測得待鍍SiC纖維的等電點為pH_iep＝2.5。調(diào)節(jié)電鍍液pH值為3.5，獲得電鍍液(G)。

(8)將電鍍液(G)的溫度調(diào)整為50℃，獲得電鍍液(H)。

(9)將預處理的干燥SiC纖維(E)作為陰極，金屬鎳板作為陽極，在150mA的恒定直流電流作用下，電鍍液(H)中的鎳離子在預處理的干燥SiC纖維(E)表面發(fā)生還原反應，通電10min后，預處理的干燥SiC纖維(E)表面可形成一層光亮致密的鎳金屬涂層。

電鍍10min后獲得的鍍鎳SiC纖維表面和截面形貌圖參見圖1和2，由圖1和2可知，已經(jīng)施鍍成功，鍍層顆粒細小，鍍層厚度均勻。經(jīng)測試該鍍鎳SiC纖維(鍍層厚度為700nm)的拉伸強度為2GPa，電阻率為1.5×10^-3Ω·cm。