化学镀生成的镀层表面致密、镀层结构稳定、操作方便、镀层均匀、与电镀相比不需要外加电源，符合本课题的要求。

复合材料力学性能设计

力学性能是复合材料的重要性能，虽然复合材料各组分之间保持相对独立，但是复合材料的整体性能并不是各组成材料性能的简单相加或平均，而是在其基础上产生线性或非线性的综合。既弥补了单一组分材料的缺点，又显示出单一组分材料所不具备的新性能。

复合材料强度的复合是一种协同效应，从各组分材料的性能和复合材料本身的细观结构导出的强度性质。碳纤维增强铝基复合材料的强度是和增强相碳纤维的破坏断裂联系在一起的。

本文所制备的螺旋碳纤维增强铝基复合材料中，螺旋碳纤维的体积分数为１０％-２５％，铝体积分数为７５％-９０％，通过调整螺旋碳纤维的空间构型，以及铸造工艺，铸坯可后续拉拔加工的变形率为３３％-７８％。

在保证螺旋碳纤维结构完整、分布稳定的情况下，采用模铸 拉拔变形制备的螺旋碳纤维增强铝基复合棒材能够实现综合力学性能的强化效果，拉伸强度较纯铝基体提升２０％，弯曲强度较纯铝基体提升３０％以上。

可变形的螺旋碳纤维空间构型，当沿轴向拉伸螺旋碳纤维时，其空间构型会变长，直径会减少，初期和中期拉力增加缓慢，后期拉力增加迅速直至断裂。将这种螺旋碳纤维加入到铝基体的中心，制备的材料仍可变形。

获得碳纤维空间构型对铝基螺旋碳纤维复合材料变形的影响规律，是制备高变形率、可拉拔加工、具有合适断后伸长率的铝基碳纤维复合材料的科学基础，制订控制工艺参数的理论依据。

本文研究的具有定向螺旋结构的碳纤维增强铝基复合棒材，可直接使用，也可以根据最终零件所要求的外形尺寸，经过塑性变形后使用。同时预留一定的可变形能力，使其具有合适断后伸长率，用于使用中断裂失效前有一定的伸长预警。

本章小结

本章首先从Ｃｆ／Ａｌ复合材料界面反应的热力学和动力学计算出发，理论分析并推导出碳纤维表面所需镀Ｃｕ层的厚度，并对螺旋碳纤维的螺旋角在塑性成形过程中，对复合材料的影响规律进行了理论分析和模拟验证。

得出以下主要结论：（１）通过从热膨胀系数的匹配性、优缺点的对比、环保角度和后续二次成形加工等多方面因素的考虑，选择化学镀工艺和Ｃｕ镀层对碳纤维表面进行改性是符合本课题要求的最佳选择。

通过对复合材料界面反应的理论计算，推导出适用于本课题制备工艺所需的碳纤维表面镀Ｃｕ层厚度的上下限区间，并以此为基础设计出实验的镀Ｃｕ层厚度为０．５-１啤之间。

从建立螺旋碳纤维和铝基体的模型出发，理论分析螺旋碳纤维的螺旋角对复合材料在塑性成形过程中的影响规律，并做出有限元模拟计算的定性验证，即螺旋碳纤维的最佳螺旋角度为ｒ=５４．７３ 。

当螺旋碳纤维为此螺旋角度时，最有利于铝基体与螺旋碳纤维的同步变形伸长，作用在螺旋碳纤维上的力最小。

对传统的复合材料混合准则计算方法进行修正，增加了碳纤维离散性和界面结合强度等因素的综合考虑。并对螺旋碳纤维复合材料的力学性能进行设计，预测了复合材料的目标强度。

蟠旋碳纤维复合材料的制备及碳纤维表面改性

碳纤维增强铝基复合材料由于有高强度碳纤维的加入，使得复合材料的强度大幅提高，但是由于碳纤维的断后伸长率很低，是制约复合材料塑性提高的核心问题。与传统的直碳纤维增强的复合材料相比，螺旋结构的碳纤维在这方面具有很大的优势。

怎样将柔软的碳纤维与铝基体有效地结合起来，特别是碳纤维以螺旋的空间构型加入铝基体中，复合材料在制备时控制不好，螺旋碳纤维在铝液中易产生缠结和偏聚的现象，从而破坏最终复合材料中增强相碳纤维的螺旋结构。

针对这一问题，本论文设计了专用模具和制备工艺（已申报国家发明专利）。本章节采用常规大气压力下的模铸工艺，制备螺旋碳纤维增强铝基复合材料。先将碳纤维以一定的螺旋空间构型缠绕在铝棒上制成预制件。

再通过模型铸造的方法制备成具有一定形状的铝基螺旋碳纤维复合材料，制成的复合材料可以通过乳制、挤压、拉拔等工艺进行二次成形加工，得到具有精确尺寸、复杂形状的最终成品。

并对Ａｌ／Ｃｆ复合材料的界面微观组织结构和界面结构动力学进行分析。此外，螺旋碳纤维增强铝基复合材料在制备之前，往往需要对增强相进行必要的预处理，目的是在高温制备时避免过度的界面反应，对增强相碳纤维起到保护作用。因此，本章对碳纤维表面改性预处理及金属化工艺也进行了系统研究。

碳纤维的表面改性处理及金属化

作为增强体的碳纤维表面惰性大、活性低，与铝基体之间的浸润性较差，加上制备过程易产生严重的界面反应，将使复合材料的性能下降。在制备复合材料时需要将金属基体铝加热至６６０ Ｃ熔点以上，这时与碳纤维在高温下复合易发生化学反应。

不但会使碳纤维的局部损伤，还会产生脆性的界面反应层，将使复合材料的性能下降。生成Ａ１４Ｃ３脆性相在界面处不能有效地将受力从铝基体传递至增强相碳纤维，成为脆弱的界面层，断裂之源。此外，ＡＵＣ３脆性相还十分不稳定，吸水后易发生分解。

研究表明，对碳纤维表面进行改性处理会避免或减少严重的界面反应，对增强相碳纤维起到保护的作用。在碳纤维表面涂覆金属镀层是目前行之有效的途径，这样既对碳纤维形成了保护，又可以改善铝基体和碳纤维之间的润湿性，使复合材料达到理想的复合效果。

碳纤维表面经过金属化改性处理之后，其应用领域更加广泛，比如，碳纤维表面经过金属化之后，可在军事上用作飞机的蒙皮和机身骨架结构，增加飞机的隐身效果。除了在航空和国防上的应用以外。

经过表面金属化处理后的碳纤维可以用来制造电气功能元件上的电磁屏蔽膜等。碳纤维在没有进行预处理之前，表面是光亮整洁的，但是因为其难溶于水、活性低等缺点，直接在碳纤维表面进行化学镀铜几乎不可能。

所以有必要在化学镀铜前，对碳纤维进行预处理，除掉表面的有机胶膜，这样才能最终在基体的表面进行沉积金属镀层。镀件在化学镀前需要进行彻底的预处理，否则会使最终的镀层结合力差极易剥落，涂层不均匀致密性差等缺陷的产生。

镀前预处理的效果将影响碳纤维最终化学镀铜的质量。一般情况下，碳纤维表面镀前预处理不成功，会使碳纤维与最终镀层之间的结合力下降，镀层极易剥落。

碳纤维的表面除胶

碳纤维出厂时，为了使碳纤维的表面保持干净整洁并具有一定的活性，防止大气中的粉尘落入碳纤维表面，通常会涂覆有机环氧保护胶。碳纤维表面通过上胶处理后形成一层保护薄膜，在后续使用中减少毛丝、断裂等缺陷的产生。

对碳纤维表面除胶的目的是：第一，使纤维表面由憎液性变为亲水性，避免碳纤维在镀液中产生偏聚的现象；第二，增加表面粗糙度，粗糙度越大，越有利于镀层的沉积。螺旋碳纤维的比表面积大，长径比大，纤维之间因互相缠绕易出现团聚现象。

为了能干净彻底地去除碳纤维表面的胶层，本课题采用高温灼烧和超声波丙酮浸泡相结合的工艺对碳纤维表面进行除胶处理。灼烧时间过短或温度过低，易造成去除胶体、油污不完全；灼烧时间过长或灼烧温度过高，又易造成碳纤维被氧化，影响后续的表面处理。

通过多次试验，最终确定的除胶工艺为：４４０ Ｃ下保温４５分钟，去离子水清洗后，再经过超声波丙酮除胶４０分钟，再清洗、烘干。此工艺可较完全的去除碳纤维表面的胶层。超声波会加速螺旋碳纤维表面胶层的分解。

为了确定最优的灼烧时间，对碳纤维进行了灼烧温度为４４０ Ｃ，保温时间１５分钟、３０分钟、４５分钟、６０分钟四种不同时间的对比实验，图为不同灼烧时间碳纤维的质量变化。

灼烧３０分钟后，碳纤维总减重量略大于２％，该值与生产企业所给出的上胶量十分接近，说明碳纤维表面的胶质己经基本去除。当灼烧时间达到４５分钟时，碳纤维完全裸露，其表面固有沟壑清晰、明显。

因此，通过对碳纤维表面粗糙度和重量减轻的判断，本实验最终选取的除胶工艺是：４４０ Ｃ下保温４５分钟。有或没有除胶碳纤维的ＦＴＩＲ光谱如图。可以看出，在除胶处理后，与氧官能团相关的峰的强度明显增加。

在３４２０ＣＨＴ１处，可以看到羟基的－Ｏ－Ｈ伸缩峰明显。此外，在１６４０ｃｍ－１和ｌＯＳＯｃｎｒ１处有两个吸收峰，分别与羟基伸缩振动和Ｃ－０－Ｃ伸缩模式相对应。凸起峰出现在１７３０ＣＨＴ１附近，这意味着存在羰基。

通过对红外光谱的分析，可以得出结论，处理后碳纤维的化学活性得到改善。红外探针的测量可以穿过整个样品，而氧化反应仅发生在距样品表面几ｎｍ的范围内。为了对碳纤维表面含官能团的种类和含量做更进一步的研宂分析。

需要使用Ｘ射线光电子能谱检测除胶后碳纤维表面的含氧官能团的数量情况，对除胶处理后的碳纤维进行ＸＰＳ全谱分析。发现碳纤维表面在结合能为２８４．８２ｅｖ、５３２．９３ｅｖ处分别含有Ｃ、Ｏ等元素。

含氧量约为１４．８１％，这主要是因为除胶过程中的氧化。预处理过程增加了碳纤维表面的活性。对Ｃｌｓ峰进行分峰拟合处理，发现经除胶处理后的碳纤维表面有很多含氧官能团，表４－１为各官能团含量，Ｃ－ＯＨ含量约为２４．８３％。

Ｃ ０含量约为１．７１ ／。，ＣＯＯＨ含量约为２．５９％，表面含氧官能团明显增多，碳纤维的亲水性得到改善，为后续镀铜实验的顺利进行创造更为有利的条件。