复材表面电弧离子镀镀铝膜性能研究

510CHINESEJOURNALOFVACUUMSCIENCEANDTECHNOLOGY2010年9、10月

复材表面电弧离子镀镀铝膜性能研究

赵栋才* 肖更竭 马占吉 武生虎 任 妮

(表面工程技术国家级重点实验室兰州物理研究所 兰州 730000)

SurfaceModificationofCarbon-FiberReinforced

PlasticswithAluminumCoatings

ZhaoDongcai,XiaoGengjie,MaZhanji,WuShenghu,RenNi

(NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonSurfaceEngineering,LanzhouInstituteofPhysics,Lanzhou730000,China)

*

Abstract Thesurfacesofthecarbon-fiberreinforcedplastic(CFRP)inasandwichreflectorweremodifiedwitha-

luminumcoatings,depositedbyarcionplating,toreduceitsreflectivelosses.Themicrostructures,propertiesandsto-ichiometriesofthealuminumfilmswerecharacterizedwithX-raydiffraction,X-rayphotoelectronspectroscopy,scanningelectronmicroscopy,andconventionalmechanicalprobes.Theresultsshowthatthehighqualityaluminumfilms,grownonCFRPsubstrate,significantlyincreasestheCFRPsurfaceconductivityalmostuptothatofthebulkaluminum,andthatstrongadhesionexistsattheinterfaceoftheAlfilmsandtheCFRPsubstrate.Possiblemechanismresponsibleforthestronginterfacialadhesionwastentativelydiscussed.

Keywords Aluminumfilm,CFRP,Arcdeposition,Metallization

摘要 为了减小复材天线反射器在高频段的反射损耗,利用电弧离子镀膜技术在其表面镀Al膜。用万能拉伸测试仪、

表面轮廓仪、SEM、XPS、XRD、Z-82数字式四探针测试仪对其性能进行评价。发现薄膜致密、均匀、形成晶体结构,导电性能接近块体Al材。通过XPS研究发现,组成薄膜的金属元素和基底中的氧、碳等元素发生了反应。在拉拔试验中,复材基底成分层状脱落,薄膜和复材基底附着完好。说明组成薄膜的Al元素在界面处和基底材料发生反应,形成化学键,提高了附着力。

关键词 铝膜 碳纤维复合材料 电弧镀 金属化

中图分类号:TB303 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-7126.2010.05.12

碳纤维复合材料(CFRP)以其质量轻、高比强度、高比模量、耐高温、耐蠕变、热膨胀系数小等一系列优异性能在空间器件中得到了广泛应用。但是在很多应用领域,表面性能限制了应用,需要表面金属化,如碳纤维复合材料作为天线和微波器件时,在一定的频率范围内,靠自身能够完成天线电磁波的反射功能,但在更高频段则由于反射损耗的增大而失去反射功能的使用价值。在这种情况下,就必须对天线反射面进行表面金属化处理。

复合材料表面金属化常用的方法有金属转移法、喷涂、贴膜法、电镀、真空镀等,有时在复材成型过程中就考虑金属化,如在碳纤维复合材料制备过

程中,通过在表层环氧树脂胶中添加银粉,在碳纤维复合材料结构件中布置适当的金属网或金属短纤维来改善复合材料表面电性能。各种金属化方法各有

优缺点,如金属转移、电化学刷镀、贴膜、电镀等附着力低,适应环境能力低;喷涂的薄膜比较厚,表面粗糙,均匀性比较差;在环氧树脂中添加银粉,或在结构件中布置金属网增加重量较多;真空镀膜附着力高,环境适应性强,薄膜厚度均匀,严格可控,但生产成本高。

国内有关复材表面金属化有一些报道,但关于金属涂层/薄膜的性能报道较少,未见薄膜与基底之间成键关系的报道,本论文利用电弧离子镀膜

[1-3]

收稿日期:2009-09-27

基金项目:重点实验室基金资助项目(9140C540203100C54)*联系人:E-mail:zhaodongc@163.com

第5期赵栋才等:复材表面电弧离子镀铝膜性能研究511

技术,在碳纤维表面镀Al膜,在薄膜性能研究的基础上,探索其与复材基底之间的成键关系。

2 试验结果与讨论

211 薄膜附着力、厚度、电阻率

薄膜附着力、厚度、电阻率测试值如表1所示。

表1 样品的附着力、厚度、电阻率

Tab.1 Theadhesion,thicknessandconductivityoftheAlfilms

样品编号1#

附着力/N#mm-2

6~13

厚度/Lm1.2

电阻率/10-88#m

5.5~6.5

1 样品制备与测试方法

利用电弧离子镀膜设备制备金属薄膜,该设备配备了脉冲、直流过滤两种电弧源,可实现薄膜均匀沉积,设备示意图如图1。

图1为脉冲过滤弧沉积设备示意图,其中:1为真空室;2为偏转电磁线圈;3为金属阴极;4为金属源供电电源;5为聚焦线圈;6为石墨阴极;7为电感线圈;8为脉冲源供电电源;9为电容;10为Rogovsky环;11为示波器;12为石墨阳极;13为基底;14为脉冲电压表。

Al膜电阻率和Al块体材料的电阻率(2167@108#m)同量级(约差2125倍),说明电弧离子镀膜技术在复材表面镀Al膜,能将复材的导电性能提高到和Al块材接近的程度,很好的改善其电学性能。用万能拉伸测试仪做完拉拔试验后,基体材料拉裂,薄膜和基体之间结合良好,说明薄膜附着力高于基体材料层与层之间的结合强度。薄膜附着力测试值比较分散,是由测试条件的误差及复材层与层之间的结合强度导致的。212 Al膜表面形貌和结构

电弧离子镀膜技术最大的缺点是较大的熔滴会沉积到薄膜表面,薄膜表面比较粗糙,优点是薄膜附着力高。本文样品制备过程中,利用电磁反射线圈,如图1,使得电子在线圈作用下反射偏转,大的带电离子和熔滴无法到达基体表面,只有合适荷质比的离子才能沉积到基体上。同时,利用电磁反射线圈,可以使基体和弧源之间保持较远距离,即有利于实现复材大面积低温镀膜,又避免镀膜打火放电问题。样品表面形貌图如图2所示。

-8

图1 脉冲过滤弧沉积设备示意图Fig11 Schematicdrawingofthefilmdepositionsetup

将清洗干净的样品载入真空室,抽真空至1@10-3Pa后开始镀膜。样品和电弧源相距500mm,阴极电压30V,放电电流80A,真空度小于516@10

-3

Pa,薄膜沉积速率2Lm/h。

制备了一组样品,基底为碳纤维/环氧复合材

料,编号为1#。

利用CMT-6104万能拉伸测试仪测试薄膜附着力;薄膜厚度通过制备掩膜,用表面轮廓仪(Dektak8StylusProfilometer)测试;薄膜表面形貌用日本电子光学公司生产的JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜(SEM)分析;Z-82数字式四探针测试仪对其电性能进行评价;薄膜和基底之间的成键状况利用X射线光电子谱(XPS)测试,用软件Origin作解谱分析;日本理学D/max2400X射线衍射仪(XRD)分析薄膜结晶状况。

从图2中能够看出,薄膜样品表面大的熔滴很少,薄膜样品表面形貌都是基体形貌的映射。薄膜

图2 复材表面镀Al膜样品SEM表面形貌图Fig12 SEMtopographicimageoftheAlfilms

512真 空 科 学 与 技 术 学 报第30卷

样品的XRD图谱如图3所示。虽然薄膜沉积温度低(90e),但薄膜结晶较好,Al膜具有和块体材料相同的晶体结构(fcc),这也是Al膜电阻率和块体材料接近的原因。213 附着力机理分析

为了研究薄膜附着力机理,对镀膜样品进行深度剖面XPS测试,在膜基交界处采集数据,图谱如图4所示。

图3 Al膜fcc结构的XRD衍射谱Fig13 XRDspectrumoftheAlfilms

图4 XPS图谱

Fig14 XPSspectraattheinterfaceofAlandCFRP

环氧/碳纤维复材表面镀Al膜的C1s峰由结合能为28413eV的主峰和位于28211,28518eV的两处肩峰组成,见图4(a)。28413eV是sp2态的C-C、C-H的结合能[4];28211eV处的C1s是金属碳化物的存在[5-6]

从图4的(b)峰能够看出,N1s峰主要由位于39712eV和39815eV两处峰组成,低结合能处是金属氮化物状态

[10]

,高结合能处是树脂态的N-C结合

能[11],说明金属Al和N发生了反应。

O1s结合能为53213eV,见图4(c),O的这种状态说明,O和Al反应形成Al2O3[12,14],氢氧化合物(羟基)在高结合能处因环氧结构的氧有一些贡献,出现一很小的肩峰[13],可见,金属Al和O发生了反应。

从图4(d)能够看出,Al2p峰主要由两个峰组成:由结合能位于7216eV和7415eV的峰组成。低,在样品中,只有金属Al,故28211eV处

是C-Al键结合能;28518eV为C-H、C-N、芳香族碳、及C-O(PET)状态的存在[7-9]。从样品的C1s谱分析能够发现,在镀膜过程中,Al和C发生了反应,形成了C-Al键;C1s的其他结合能都是由复材所含的环氧胶,纤维中C化学环境导致的。可见,Al和C发生了反应。第5期赵栋才等:复材表面电弧离子镀铝膜性能研究513

结合能处是处于纯Al(fcc结构Al的结合能为7218eV[14-15]

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),高结合能处是一些形态的氧化铝[5,16]、

氮铝化合物和碳铝化合物状态的结合能[15-17]。从样品的Al结合能能够看出,在镀膜过程中,Al离子

非常容易氧化,其中氧化铝的氧来源于基体中的固化胶(环氧树脂)。虽然在镀膜过程中,对基底表面做了氩离子束刻蚀清洗,也可能在复材气孔中存在空气中的氧。

可见,电弧离子镀膜时,Al材从靶面蒸发时,离化率很高,通过偏转电磁线圈(见图1),中性粒子不能到达基底,进一步提高离化率。Al离子到达基底后,和基底中的O,C等元素发生了反应,形成了化学键,提高了薄膜附着力。在拉拔试验中,基底成分层状开裂,薄膜完好。

3 结论

利用电弧离子镀膜技术,在复合材料表面镀Al膜,薄膜致密、均匀。薄膜沉积温度低,但结晶较好。薄膜电阻率为(515~615)@10-88#m,接近块体铝材的电阻率。组成薄膜的Al元素在界面处和基底材料发生反应,形成化学键,提高了附着力。

电弧离子镀膜技术实现复材表面金属化,薄膜质量高、薄膜厚度均匀可控,薄膜附着力高,能适应复杂环境,具有广阔的应用前景,但相对于热喷涂等其他表面金属化方法,成本较高。

参 考 文 献

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