中图分类号：V19

0 引言

碳纤维由于具有高比强度、高比模量、低密度、低热膨胀系数，优异的热稳定性和耐化学腐蚀等性能特征，在宇航电缆、星载天线等宇航领域具有广泛的应用前景^[1-3]。尽管碳纤维具有良好的导电性，但其应用于高频、高精度、高增益等星载天线时，需要进一步提高其导电性，对碳纤维进行表面金属化是有效手段。碳纤维表面润湿性差^[4]，且与金属之间具有较大的线性热膨胀系数差异，因此在焊接试验和应用于电缆、天线产品时高低温环境过程中会出现金属层起皮、起泡、开裂等质量问题。

本文采用等离子体刻蚀的方法对碳纤维束表面进行镀前处理，借助于等离子体刻蚀后表面微观粗糙的结构和润湿表面，结合化学镀铜，实现碳纤维束表面金属化。

1 实验

1.1 材料与主要试剂

碳纤维束，无水乙醇，氯化亚锡（SnCl₂）溶液，氯化钯（PdCl₂）溶液，次亚磷酸钠（NaH₂PO₂）溶液，化学镀铜溶液。

1.2 样品制备过程

碳纤维束表面等离子体刻蚀改性及化学镀铜过程如下所述：

图1 碳纤维束表面化学镀铜流程

（1）表面除油：采用无水乙醇对碳纤维束进行除油清洗。

（2）等离子体刻蚀：气氛为Ar气，功率500W，气流量100sccm/min，时间20min。

（3）敏化：采用SnCl₂和盐酸的混合溶液对碳纤维束进行表面敏化处理，室温下处理3min。敏化完成后用去离子水清洗。

（4）活化：采用PdCl₂和盐酸的混合溶液对碳纤维束进行表面活化处理，室温下处理2min。活化完成后用去离子水清洗。

（5）还原：采用次亚磷酸钠溶液对碳纤维束进行表面还原处理，室温下处理1min。还原完成后用去离子水清洗。

（6）化学镀铜：将试样浸入化学镀铜溶液中沉积铜，获得致密均匀的铜金属层，化学镀铜时间60min。

1.3 表征与测试

采用扫描电子显微镜（SEM, JEOL, JSM-6701 F）观察碳纤维束表面铜层微观形貌。采用视频显微镜测试碳纤维束表面状态。采用四探针测试仪测试碳纤维束表面铜层导电性。

2 结果与讨论

2.1 等离子体刻蚀后碳纤维束表面微观结构

图1所示为碳纤维束原始表面和除油清洗后的表面，碳纤维束表面光滑，这反而不利于金属层沉积。对碳纤维束表面进行等离子体刻蚀，刻蚀前后的微观形貌如图2所示。 

图1 碳纤维束的外观照片：(a)碳纤维束未经处理；(b) 碳纤维束经除油处理

如图2（a）所示，未经等离子体刻蚀的碳纤维束表面明显光滑，仅有少量不均匀凸起，这种凸起对碳纤维束表面铜层沉积没有明显有益效果。如图2（b）所示，表面进行等离子体刻蚀后，碳纤维束表面具有刻蚀均匀的凹凸不平的微观结构，这种微观结构对其后活性粒子沉积提供了嵌合锚固点，有利于提高镀层附着力。

图2 碳纤维束等离子体刻蚀前后的微观形貌：(a)未经等离子体处理；(b)经等离子体处理

2.2 等离子体刻蚀后碳纤维束表面化学镀铜

对碳纤维束表面进行化学镀铜，镀层厚度2μm，表面电阻≤5mΩ。如图3所示，等离子体刻蚀前碳纤维束表面镀铜层粗糙，局部有毛刺等缺陷，等离子体刻蚀后的碳纤维束表面镀铜均匀细致。

图3 等离子体刻蚀前后的碳纤维束表面化学镀铜外观照片：(a)碳纤维束未经等离子体处理；(b) 碳纤维束经等离子体处理

对碳纤维束表面镀铜层进行刮蹭，未经处理的碳纤维束表面镀铜层一经刮蹭就发生脱落，说明碳纤维束表面直接镀铜时，铜层与碳纤维束之间的结合力较差，无法满足应用需求。对等离子体刻蚀后的碳纤维束表面镀铜层进行刮蹭，金属层未有明显变化，说明铜与碳纤维束之前的结合力良好。

图4 等离子体刻蚀前后的碳纤维束表面化学镀铜刮蹭后的外观照片：(a)碳纤维束未经等离子体处理；(b) 碳纤维束经等离子体处理

图5 等离子体刻蚀前后的碳纤维束表面化学镀铜微观形貌照片：(a)碳纤维束未经等离子体处理；(b) 碳纤维束经等离子体处理

采用热震试验进一步测试等离子体刻蚀后碳纤维束表面镀铜层的结合力。将镀铜碳纤维束置于烘箱中，200℃，保温30min，然后立刻放入冷水中，观察碳纤维束表面镀层状态。经200℃~冷水热震试验后，碳纤维束表面镀铜层没有起皮、起泡、开裂等问题，说明镀层结合力良好。采用SEM对热震试验后碳纤维束表面镀铜的微观形貌进行表征，如图5所示，未经等离子体处理的碳纤维束表面镀铜微观上具有裂纹，相比之下，碳纤维束表面经等离子体刻蚀后在进行镀铜处理，经热震试验后，镀层微观上致密均匀，无可见开裂等缺陷。

碳纤维束表面金属层与基材之间这种良好的结合力，主要来自碳纤维束表面经等离子体刻蚀后，产生大量粗糙微结构，在化学镀铜的过程中，金属粒子在表面凹凸结构中沉积，并逐渐致密生长，从而使表面粗糙结构层与金属镀层之间形成了“锚固嵌合”的结构^[5-7]。这种结构使镀层与基体材料间形成了有效的机械结合，保证了镀层与基材之间良好的结合力。

3 结论

对碳纤维束材料表面进行等离子体刻蚀处理，并进行化学镀铜。等离子改性后碳纤维束表面具有微观上凹凸不平结构，为后续活化和化学镀铜提供金属粒子嵌合位点，化学镀铜过程中，金属在表面凹凸结构中沉积，并逐渐致密生长，从而使表面粗糙结构层与金属镀层之间形成了“锚固嵌合”的结构，这种结构使镀层与基体材料间形成了有效的机械结合，保证了镀层与基材之间良好的结合力。等离子体刻蚀后的碳纤维束表面镀铜结合良好，可耐受200℃~冷水热震试验。碳纤维束表面金属化技术的操作方法简单、成本低，可实现碳纤维束表面金属镀层良好的导电性和镀层与基材之间优异的结合力，可为碳纤维束材料在宇航天线等领域的应用提供技术支撑。

参考文献

[1] 杨立宁,杨光,张永弟,等.碳纤维表面电镀铜改性工艺方法研究[J].机械设计与制造, 2023(2): 251-254.

[2] 景佰亨,王明树,冯力,等.碳纤维表面连续电镀镍工艺研究[J].广东化工,2023, 50(2): 11-13.

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[4] 韩卫东.碳纤维表面金属化改性研究[D].2020.

[5] 刘靖忠,李国栋,熊翔等.碳纤维电镀Cu/Ni双镀层及其性能表征[J].粉末冶金材料科学与工程,2016,21(1)

[6] 吕钊钊,沙建军,林冠璋等.碳纤维表面沉积铜工艺及其参数影响机理[J].稀有金属材料与工程,2019,48(12)

[7] 张焕侠.碳纤维表面和界面性能研究及评价[D].2014.

作者简介：李媛（1970—），汉族，陕西人，本科学历，工程师，研究方向为预先研究技术管理。