磨床水箱除油机

编辑：穿孔机厂家，来源：油管，浏览量：123，时间：2022-04-28 16:50

磨床水箱除油机，分油机高置水箱的作用，分油机高置水箱的作用

柔性受压电铸制备连续碳纤维增强镍基复合材料

田书荣，钱王欢（职业技术学院机械技术学院）

作者简介：田书荣，主要研究方向为电铸技术。

文章全文

连续碳纤维增强金属基复合材料具有比强度高、比模量高以及耐高温的优点，在航空航天、兵器制造、模具制造等领域具有很好的应用前景。常见的制备方法有粉末冶金、熔融浸渗、化学气相渗透等。

这些工艺都需要在高温下进行，制备过程容易引起过量的碳纤维/金属界面反应，使碳纤维的强度降低并生成界面脆性相，影响所得复合材料的各项力学性能。此外，这些方法所需设备复杂，制备时间长，成本较高。

电铸是利用金属离子在阴极表面电沉积的原理进行零件制造的技术，在常温条件下就可实现，设备简单，成本低廉，而且参数易控。

将该法用于连续碳纤维增强金属基复合材料时不仅可避免上述问题，而且无需考虑碳纤维与金属之间的浸润问题。另外，作为一种重要的微纳制造技术，电铸还被广泛应用于多种微结构的制备，能够将碳纤维增强金属基复合材料的应用从宏观拓展到微观。

然而，电铸制备所得连续纤维增强复合材料往往不够致密，内部存在较多的孔隙，强度较低，因此缺乏实用性。

为此，本文提出柔性受压电铸制造技术，即在电铸过程中布置一柔性压紧轮时刻紧贴于阴极芯模表面，利用柔性压紧轮对电铸层的摩擦和挤压作用来改善电沉积的结晶过程，提高纤维与电铸金属的结合性能，促进副反应生成的氢气排出，提高电铸层表面质量和内部致密度。

本文采用上述柔性受压电铸制造技术制备了性能优良、具有实用价值的碳纤维增强镍基复合材料，并重点研究其微观结构和力学性能。

1 实验

1. 1 材料与试剂

所用碳纤维为日本东丽公司生产的T300B-1K型，主要性能参数为：弹性模量230 GPa，抗拉强度3530 MPa，密度1.76 g/cm3，比强度2 N·m/kg，单丝直径8 ~ 10 μm，电阻率0.016 Ω·cm。

可见该碳纤维具有优良的导电性和较高的比强度。为了提高碳纤维与金属镍之间的结合强度，在电铸前先对碳纤维进行除油、去胶、粗化等预处理。

选择常规氨基磺酸镍体系电铸液，其组成为：氨基磺酸镍[Ni(NH2SO3)2·6H2O]500 g/L，氯化镍(NiCl2·6H2O)25g/L，硼酸(H3BO3)30g/L，十二烷基硫酸钠(SDS)0.05 g/L，pH= 4.5。

在温度为43 °C和电流密度为2 A/dm2的条件下电铸12 h。为了减少影响因素，所用试剂均为分析纯，所有溶液都采用去离子水配制。

1. 2 制备过程

如图1所示，整个电铸装置包含两大系统：由储液槽、加热管、热电偶、磁力泵、过滤器等组成的循环加热过滤系统，具有保证电铸溶液的洁净度和温度恒定的作用；由碳纤维、储丝筒、旋转电机、水平轴、阴极芯模构成的碳纤维缠绕系统。

碳纤维从储丝筒中引出后固定在阴极芯模表面，电动机旋转带动碳纤维不断缠绕在阴极芯模上，同时控制器带动碳纤维在水平方向上做微速往复运动，使得碳纤维逐渐覆盖整个芯模表面。电源接通后，金属镍不断沉积在阴极和碳纤维表面并逐渐将碳纤维包裹在其中。碳纤维的体积分数由电流密度、电机的旋转速率和水平轴移动速率共同决定。

阳极采用加拿大INCO牌不含硫的高纯度镍珠，直径9 ~ 12 mm。为防止碎渣渗出，镍珠在经除油、清洗后用涤纶布包裹才放入电铸槽中。

阴极芯模为圆柱形中空铝棒，外径15 mm，实际电沉积面积约0.47dm2，在依次经过除油、抛光、弱浸蚀等处理后放入电铸槽中。

紧贴阴极芯模安装一柔性压紧轮，它在电铸过程中不断挤压和摩擦碳纤维与沉积的镍。柔性压紧轮内芯为PVC塑料，外层用毡布包裹，如图2所示。

作为对比，非柔性受压电铸时所用装置除了卸去图2所示的柔性压紧轮外，其他结构均与图1相同。

1. 3 性能表征

1. 3. 1 力学性能测试

电铸结束可获得内径为15mm的圆筒形碳纤维增强镍基复合材料，在磨床上将其表面整平并去除表层多余的镍后，使用线切割慢走丝机将复合电铸层切割成9 mm宽的环状试件，去除铝制芯模，最后用金相砂纸对线切割刃边进行打磨和抛光，用图3所示的夹具装夹在MTSE45型电子万能材料测试机上检测试件的力学性能。

1. 3. 2 微观结构分析

用超声波清洗机将试件洗净后烘干，采用Hitachi S-3400N型扫描电镜(SEM)观察其表面和断面形貌。

采用Bruker D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)分析复合材料中镍的结晶取向。按式(1)[11]计算晶面(hkl)的织构系数TC(hkl)，以表征其择优取向程度。

式中，I(hkl)和I0(hkl)分别表示复合材料中的镍和标准镍粉末的相对衍射强度，n为衍射峰个数。若各衍射面的织构系数相同，则晶面取向是无序的；若某晶面的TC大于1/n，则该晶面呈现择优取向；TC越大，说明择优取向程度越高。

2 结果与讨论

2. 1 表面形貌

从图4可知，柔性受压条件下电铸所得复合材料的晶粒尺寸在5 μm以下，显著低于非柔性受压条件下所得复合材料的晶粒尺寸。根据Hall-Petch关系，晶粒的细化可以显著提高普通多晶金属材料的硬度和强度。

这是因为在电沉积过程中柔性压紧轮对阴极的摩擦和挤压作用能够显著增加阴极表面的活化点以及位错的数目，因此更加容易得到细而多晶的沉积层。

仔细观察图4还能发现，在非柔性受压条件下获得的复合材料表面存在针眼(见图4b中的白框部位)，而柔性受压条件下所得复合材料并没有。在电沉积过程中，镍离子被还原的同时，氢离子也在阴极表面还原成氢气。

而阴极表面密集缠绕的碳纤维阻挡了氢气进入溶液的通道，使其只得吸附在碳纤维与阴极表面，并逐渐汇聚成宏观的氢气泡，导致金属镍无法在这些区域沉积，于是形成了针眼。

而在柔性受压条件下，柔性压紧轮不断摩擦和挤压阴极表面，随时挤破形成的氢气泡，及时将其从阴极和碳纤维表面剥离，有效避免了针眼的形成。

2. 2 断口形貌

从图5可以看出，碳纤维排列较为有序和整齐，与镍基质结合紧密，两者间的界面清晰可见。另外，碳纤维表面没有任何损伤，这与传统电铸工艺制备方法中碳纤维在高温下受到严重损伤形成鲜明对比。

从图5b中可以清楚地看出均匀分布的碳纤维被拔出的断头和残留的空洞；而图5a则显示在柔性受压条件下，碳纤维与镍基体结合更加紧密，复合材料被拉断时发生整体断裂，未见碳纤维被拔出的迹象。

在碳纤维增强镍的非柔性受压电铸制造过程中，紧密覆盖在阴极表面的一层层碳纤维对电铸过程的液相传质产生一定的阻碍作用，具体表现为外部的新鲜电铸液难以通过自然扩散的方式完全穿透碳纤维束，并进入其正下方的狭小区域，而电化学反应的副产物──氢气同样难以逸出。

这样一来，由于缺乏补充，当反应区域内电铸液消耗殆尽时，镍的电沉积不再继续，导致碳纤维与镍的结合性能变差。

在柔性受压电铸制造过程中，柔性压紧轮表面的毛毡可以源源不断地向缠绕在阴极表面的碳纤维束内部“泵入”新鲜的电铸液，使得镍的电沉积顺利地持续进行，保证碳纤维完全被镍基金属紧密包裹。

同时，压紧轮对阴极的挤压作用也能保证碳纤维与电沉积的镍紧密结合，使得复合电铸层内部致密，无孔洞。

2. 3 结晶取向

从图6可知，与镍的PDF卡对照发现，各衍射峰对应的晶面依次为Ni(111)、(200)、(220)及(311)，都是面心立方结构。按式(1)计算得到的各晶面织构系数见表1。

从中可知，非柔性受压条件下获得的复合材料在(220)面的衍射峰强度最高，其织构系数达46.75%，有较强的择优取向。

在柔性受压条件下，(200)晶面的生长得到加强，其织构系数达42.77%，其他晶面的生长均减弱。由此可见，柔性受压可以改变镍离子的沉积方式，进而改变镍晶体的生长模式。

2. 4 抗拉强度

从图7可知，随着碳纤维体积分数的增大，两种电铸工艺所得复合材料的抗拉强度均呈先升高后降低的变化趋势。对于柔性受压条件下制得的复合材料来说，在碳纤维体积分数为35%时，抗拉强度达到峰值1250 MPa；而对于非柔性受压条件下制得的复合材料，其抗拉强度在碳纤维体积分数为30%时达到峰值1 047 MPa。

图7中的直线为根据式(2)所示的复合法则算出来的复合材料理论抗拉强度

。

其中σf为增强纤维的强度，σm为基体金属的强度。Vf为纤维的体积分数，Vm为基体金属的体积分数。

复合法则是在最理想的状态下得到的，其前提是纤维在基体中均匀排列，纤维与基体的结合性能非常好，受到拉伸时应力能很好地从基体传导到增强纤维，纤维起到完美的增强作用。

因此根据复合法则，复合材料的理论强度仅由基体的强度、纤维的强度及纤维的体积分数决定

。对于本试验来说，复合材料的抗拉强度应正比于碳纤维的体积分数。但从图7可知，实际结果与理论值之间有很大的偏差，且这种偏差随着碳纤维体积分数的增大而显著增大。

在实际制造过程中，碳纤维与镍基金属不可能结合得十分完美，总有一些碳纤维在复合材料受到拉伸时提前与镍基金属脱粘，失去增强作用；另外，由于受到工艺的限制，碳纤维不可能完全均匀地排列在基体中，也并不是每一根碳纤维都能完美地被镍基金属所包裹，总是存在一些碳纤维与镍基金属处于不充分结合的状态，这些碳纤维在拉伸时并不会完全起到增强作用。这些现象随着碳纤维体积分数的增大而越来越突出。甚至当碳纤维体积分数增大到一定程度时，复合材料强度出现明显下降。

在低体积分数时，碳纤维在镍基金属中排列相对有序，每根碳纤维都能与镍紧密结合，受到拉伸时能起到偏转裂纹、释放应力等作用，提升复合材料的力学性能，因而此时试验值与理论值偏差不大。

柔性受压主要通过细化晶粒来提升复合材料的强度，在这种情况下的效果并不明显。然而，当碳纤维体积分数逐渐升高时，覆盖在阴极表面的碳纤维越来越多，阴极电沉积区域内生成的氢气泡越来越难以逸出，外部新鲜的溶液被层层碳纤维束阻挡，也越来越难以补充入电沉积区域。

此时，柔性受压的作用就显得非常重要，它向电沉积区域补充电铸液，促进氢气排出，并且促使碳纤维有序排列，在相同纤维体积分数下显著提升了复合材料中碳纤维与镍基金属的结合性能，提高了强度。

但这种提升作用毕竟有限，随着碳纤维体积分数的进一步增大，碳纤维的排列越来越杂乱，与镍结合得越来越差，所得复合材料的致密度越来越低，很多碳纤维在拉伸时根本起不到太大的增强作用，有些甚至加速了镍基体的断裂，导致复合材料强度开始下降。

3 结论

(1)柔性压紧轮的摩擦和挤压作用能够有效降低碳纤维增强镍基复合材料的针眼数量和晶粒尺寸。

(2)柔性压紧轮输送电铸液的作用能够有效提升碳纤维/镍的结合性能，减少内部缺陷。

(3)柔性受压改变了镍的沉积方式，使得镍在(200)和(220)晶面呈现择优取向。

(4) 柔性受压条件下制得的碳纤维增强镍基复合材料具有很高的抗拉强度，当碳纤维体积分数为35%时，复合材料的抗拉强度可达1 250 MPa。

即将到来的节日：4月清明节放假3天！再忙也要对自己好点哦！

热搜弹幕：磨床水箱除油机，分油机高置水箱的作用，分油机高置水箱的作用