阅读说明：本技术 一种改性碳纤维及其制备方法、改性碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法 (Modified carbon fiber and preparation method thereof, modified carbon fiber reinforced aluminum matrix composite and preparation method thereof ) 是由 张宇博 李廷举 王同敏 刘嘉鸣 曹志强 卢一平 接金川 康慧君 陈宗宁 郭恩宇 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及复合材料技术领域,尤其涉及一种改性碳纤维及其制备方法、改性碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法。采用本发明的方法制备的改性碳纤维其表面镀层均匀,且碳纤维与镀层间的结合强度高,有利于提高碳纤维增强铝基复合材料的综合性能。此外,与传统的敏化、活化两步法工艺流程相比,本发明采用一步法胶体钯活化工艺大幅度降低了活化工艺所需温度,极大地缩短了活化工艺所需时间,从而显著提升了化学镀工艺的效率。(The invention relates to the technical field of composite materials, in particular to a modified carbon fiber and a preparation method thereof, and a modified carbon fiber reinforced aluminum matrix composite material and a preparation method thereof. The modified carbon fiber prepared by the method has uniform surface coating, and the bonding strength between the carbon fiber and the coating is high, thereby being beneficial to improving the comprehensive performance of the carbon fiber reinforced aluminum matrix composite. In addition, compared with the traditional sensitization and activation two-step process flow, the method adopts the one-step colloidal palladium activation process to greatly reduce the temperature required by the activation process and greatly shorten the time required by the activation process, thereby obviously improving the efficiency of the chemical plating process.)

一种改性碳纤维及其制备方法、改性碳纤维增强铝基复合材 料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种改性碳纤维及其制备方法、改性碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数、耐腐蚀和抗热老化等优良的综合性能，作为传统复合材料的有力竞争者和替代者而备受国内外研究者重视。

但碳纤维与铝基体之间的润湿性较差，导致碳纤维与铝基体的界面结合强度较低。为了改善碳纤维与铝基体之间的润湿性，人们通常对碳纤维表面进行金属化学镀改性。传统的化学镀改性过程包括：去胶、除油、粗化、敏化、活化和沉积，但该方法获得的镀层不均匀且镀层与碳纤维粘结强度低，影响碳纤维增强铝基复合材料的综合力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改性碳纤维及其制备方法、改性碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法，采用本发明的方法对碳纤维进行表面金属化学镀改性，得到的改性碳纤维其表面的金属镀层均匀，且碳纤维与金属镀层间的结合强度高，有利于提高碳纤维增强铝基复合材料的综合性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种改性碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

对碳纤维依次进行去胶和除油，得到除油碳纤维；

将所述除油碳纤维与粗化液混合后进行粗化处理，得到粗化碳纤维；所述粗化液包括：浓硝酸180～220mL/L、浓硫酸180～220mL/L和余量的水；

将所述粗化碳纤维与胶体钯活化液混合，进行活化，得到活化碳纤维；所述胶体钯活化液的制备原料包括：氯化钯0.3～0.7g/L、氯化亚锡30～40g/L、浓盐酸40～60mL/L、氯化钠150～200g/L、金属锡5～15g/L和余量的水；

将所述活化碳纤维与解胶液混合，进行解胶，得到解胶碳纤维；

将所述解胶碳纤维浸没到金属沉积液中，进行金属沉积，得到改性碳纤维。

优选的，所述粗化处理的温度为30～50℃，时间为10～20min；所述粗化处理在超声条件下进行。

优选的，所述活化的温度为20～28℃，时间为3～8min。

优选的，所述金属沉积液包括：硫酸镍15～25g/L、次亚磷酸钠15～25g/L、乳酸15～25mL/L和余量的水，所述金属沉积液的pH值为3.5～4.5。

优选的，所述金属沉积的温度为50～70℃，时间为20～40min。

优选的，所述解胶液包括：浓盐酸80～120mL/L和余量的水。

本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的改性碳纤维；所述改性碳纤维包括碳纤维和附着于碳纤维表面的金属镀层。

本发明提供了一种改性碳纤维增强铝基复合材料，包括上述方案所述的改性碳纤维和铝合金基体；所述铝合金基体将改性碳纤维包裹。

优选的，所述改性碳纤维增强铝基复合材料中改性碳纤维的体积百分含量为1～5％。

本发明提供了上述方案所述改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将铝合金背板进行预热，得到预热背板；

将改性碳纤维进行预热，得到预热改性碳纤维；

在所述预热背板的上表面铺设所述预热改性碳纤维，之后在铺设好的预热改性碳纤维表面浇注铝合金熔体并将改性碳纤维完全覆盖，待覆盖层凝固成半固态后进行轧制，得到改性碳纤维增强铝基复合材料。

本发明提供了一种改性碳纤维的制备方法，包括以下步骤：对碳纤维依次进行去胶和除油，得到除油碳纤维；将所述除油碳纤维与粗化液混合后进行粗化处理，得到粗化碳纤维；所述粗化液包括：浓硝酸180～220mL/L、浓硫酸180～220mL/L和余量的水；将所述粗化碳纤维与胶体钯活化液混合，进行活化，得到活化碳纤维；所述胶体钯活化液的制备原料包括：氯化钯0.3～0.7g/L、氯化亚锡30～40g/L、浓盐酸40～60mL/L、氯化钠150～200g/L、金属锡5～15g/L和余量的水；将所述活化碳纤维与解胶液混合，进行解胶，得到解胶碳纤维；将所述解胶碳纤维浸没到金属沉积液中，进行沉积，得到改性碳纤维。

本发明利用除胶去除碳纤维表面的保护胶，利用除油进一步清洁碳纤维表面，使得碳纤维暴露，以利于后续粗化过程中碳纤维表面的官能团化以及镀层的沉积。本发明对除油碳纤维进行粗化处理，采用浓硫酸和浓硝酸为粗化液，相对于以过硫酸铵和稀硫酸组成的传统粗化工艺，混合强酸粗化过程可以显著提升碳纤维表面沟壑深度、表面粗糙度，并提高碳纤维表面羧基等含氧官能团的数量，进而提升镀层与碳纤维间的粘结强度，同时也提升了后续金属钯催化核心在碳纤维表面分布的均匀性。完成所述粗化后，本发明将所得粗化碳纤维与胶体钯活化液混合进行活化，可以使胶体钯颗粒与碳纤维表面的大量含氧官能团产生吸附作用，从而使得胶体钯颗粒可以均匀吸附在碳纤维表面，且两者间的粘结强度较大。然后对活化碳纤维进行解胶，使胶团内的单质钯颗粒裸露出来，从而使其可以在沉积过程中起到催化作用，最后沉积金属，由于单质钯颗粒在碳纤维表面均匀分布，进而促使在碳纤维表面形成一层均匀的金属镀层，得到改性碳纤维。采用本发明方法得到的改性碳纤维其表面镀层均匀且镀层与碳纤维间粘结强度较大，这对后续制备综合力学性能优异的铝基复合材料有着积极作用。

进一步的，与传统的敏化、活化两步法工艺流程相比，本发明采用一步法胶体钯活化工艺大幅度降低了活化工艺所需温度，极大地缩短了活化工艺所需时间，从而显著提升了化学镀工艺的效率(本发明的活化温度为20～28℃，时间为3～8min；传统敏化活化两步法工艺需要在30～50℃下共经过50～70min反应)。

本发明提供了一种改性碳纤维增强铝基复合材料，通过碳纤维的表面均匀金属化，可以有效改善铝合金基体与碳纤维间的润湿性，得到的改性碳纤维增强铝基复合材料具有良好的综合力学性能。

本发明提供了改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，本发明的制备方法简单、易于操作，且可以实现碳纤维增强铝基复合材料的连续高效制备，在工业化大规模制备方面具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1除胶碳纤维的表面形貌图；

图2为实施例1制备的改性碳纤维的表面形貌图；

图3为对比例1制备的改性碳纤维的表面形貌图；

图4为对比例2制备的改性碳纤维的表面形貌图；

图5为对比例3制备的改性碳纤维的表面形貌图；

图6为实施例2改性碳纤维增强铝基复合材料所用装置的结构示意图；

其中，1为铝合金熔体浇口，2为铝合金背板，3为改性碳纤维，4为覆盖层，5为轧辊，6为改性碳纤维增强铝基复合材料；

图7为实施例2所得改性碳纤维增强铝基复合材料横截面的SEM图。

具体实施方式

本发明提供了一种改性碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

对碳纤维依次进行去胶和除油，得到除油碳纤维；

将所述除油碳纤维与粗化液混合后进行粗化处理，得到粗化碳纤维；所述粗化液包括：浓硝酸180～220mL/L、浓硫酸180～220mL/L和余量的水；

将所述粗化碳纤维与胶体钯活化液混合，进行活化，得到活化碳纤维；所述胶体钯活化液的制备原料包括：氯化钯0.3～0.7g/L、氯化亚锡30～40g/L、浓盐酸40～60mL/L、氯化钠150～200g/L、金属锡5～15g/L和余量的水；

将所述活化碳纤维与解胶液混合，进行解胶，得到解胶碳纤维；

将所述解胶碳纤维浸没到金属沉积液中，进行金属沉积，得到改性碳纤维。

在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。

本发明对碳纤维进行去胶，得到去胶碳纤维。本发明对所述碳纤维没有特殊的限定，采用本领域熟知的市售碳纤维即可。在本发明的实施例中，所述碳纤维的直径为6～8μm。在本发明中，所述去胶的过程优选为：将碳纤维放入丙酮中，在20～30℃超声处理30～40min。本发明对所述丙酮的用量没有特殊要求，能够将碳纤维完全浸没即可。本发明对所述超声的功率没有特殊要求，采用本领域熟知的超声功率即可。市售的碳纤维表面会包覆一层出厂胶对其表面进行保护，不利于后期进行表面粗化和镀层的沉积，与此同时该胶层在高温环境下会发生快速分解并伴随有气体，不利于后期碳纤维与铝合金基体间的复合过程。去胶可以将碳纤维表面的保护胶除去，有利于粗化和碳纤维表面直接与金属沉积液接触，同时也可以在复合过程中避免气体产生。

完成所述去胶后，本发明优选采用去离子水对去胶处理的纤维进行冲洗2～3次，得到去胶碳纤维。

得到去胶碳纤维后，本发明将所述去胶碳纤维进行除油，得到除油碳纤维。在本发明中，所述除油所用除油液优选包括氢氧化钠50～70g/L、碳酸钠10～30g/L、磷酸钠30～50g/L和余量的水；更优选包括氢氧化钠60g/L、碳酸钠20g/L、磷酸钠40g/L和余量的水。在本发明中，所述除油的过程优选为：将所述去胶碳纤维放入除油液中，并在60～80℃下超声处理20～40min。本发明对所述除油液的用量没有特殊要求，能够将去胶碳纤维完全浸没即可。本发明对所述超声的功率没有特殊要求，采用本领域熟知的超声功率即可。本发明利用除油进一步清洁碳纤维表面，使得碳纤维暴露，以利于后续粗化过程中碳纤维表面的官能团化以及镀层的沉积。

完成所述除油后，本发明优选还包括采用去离子水对除油处理的纤维进行冲洗2～3次，得到除油碳纤维。

得到除油碳纤维后，本发明将所述除油碳纤维与粗化液混合后进行粗化处理，得到粗化碳纤维。

在本发明中，所述粗化液包括：浓硝酸180～220mL/L、浓硫酸180～220mL/L和余量的水；优选包括浓硝酸190～210mL/L、浓硫酸190～210mL/L和余量的水；更优选包括浓硝酸200mL/L、浓硫酸200mL/L和余量的水。在本发明中，所述浓硝酸的质量分数优选为65.0％；所述浓硫酸的质量分数优选为98.3％。

本发明对所述粗化液的用量没有特殊要求，能够将除油碳纤维完全浸没即可。本发明对所述混合的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的混合过程即可。

在本发明中，所述粗化处理的温度优选为30～50℃，更优选为35～45℃，最优选为40℃；时间优选为10～20min，更优选为15min。在本发明中，所述粗化处理优选在超声条件下进行，本发明对所述超声的功率没有特殊要求，采用本领域熟知的超声功率即可。本发明采用浓硫酸和浓硝酸的稀释液为粗化液，相对于以过硫酸铵和稀硫酸组成的传统粗化工艺，混合强酸粗化过程可以显著提升碳纤维表面沟壑深度、表面粗糙度，并提高碳纤维表面羧基等含氧官能团的数量，进而提升镀层与碳纤维间的粘结强度，同时也提升了后续金属钯催化核心在碳纤维表面分布的均匀性。

完成所述粗化处理后，本发明优选还包括采用去离子水对粗化处理的纤维进行冲洗2～3次，得到粗化碳纤维。

得到粗化碳纤维后，本发明将所述粗化碳纤维与胶体钯活化液混合，进行活化，得到活化碳纤维。

在本发明中，所述胶体钯活化液的制备原料包括：氯化钯0.3～0.7g/L、氯化亚锡30～40g/L、浓盐酸40～60mL/L、氯化钠150～200g/L、金属锡5～15g/L和余量的水，优选包括：氯化钯0.5g/L、氯化亚锡35g/L、浓盐酸50mL/L、氯化钠178g/L、金属锡10g/L和余量的水；在本发明中，所述浓盐酸的质量分数优选为36.0％。

在本发明中，所述胶体钯活化液的制备方法优选包括以下步骤：将氯化钯溶于浓盐酸中，得到溶液A；将氯化亚锡、氯化钠溶于部分去离子水中，再加入金属锡，得到料液B；将所述溶液A加入到料液B中，搅拌加水至目标量。

本发明在制备过程中通过发生离子反应生成胶体钯，具体的离子反应方程式如下：Pd²⁺+2Sn²⁺→[PdSn₂]⁶⁺；[PdSn₂]⁶⁺→Pd⁰+Sn²⁺+Sn⁴⁺。其中，碳纤维周围的胶团由2价锡离子水解产生，即胶团的外部成分主要为Sn(OH)₂。胶体钯活化液中金属锡的作用是防止活化液中的2价锡离子暴露于空气中被氧化为4价而破坏活化液的稳定性。本发明对部分水的用量没有特殊要求，优选为胶体钯活化液中水的总量的一半。本发明对所述搅拌的转速没有特殊要求，不引起液体飞溅即可。

本发明对所述粗化碳纤维与胶体钯活化液混合的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的混合过程即可。本发明对所述胶体钯活化液的用量没有特殊要求，能够将粗化碳纤维完全浸没即可。在本发明中，所述活化的温度优选为20～28℃，时间优选为3～8min。本发明所述活化过程中，胶体钯颗粒与碳纤维表面的大量含氧官能团产生吸附作用，从而使得胶体钯颗粒可以均匀吸附在碳纤维表面，且两者间的粘结强度较大。

与传统的敏化、活化两步法工艺流程相比，本发明采用一步法胶体钯活化工艺大幅度降低了活化工艺所需温度，极大地缩短了活化工艺所需时间，从而显著提升了化学镀工艺的效率(传统敏化活化两步法工艺需要在30～50℃下经过50～70min反应)。

完成所述活化后，本发明优选还包括将活化的纤维采用去离子水冲洗2～3次，得到活化碳纤维。

得到活化碳纤维后，本发明将所述活化碳纤维与解胶液混合，进行解胶，得到解胶碳纤维。在本发明中，所述解胶液的组成优选为：浓盐酸80～120mL/L和余量的水；更优选为：浓盐酸90～110mL/L和余量的水。在本发明中，所述浓盐酸的质量分数为36.0％。

本发明对所述活化碳纤维与解胶液混合的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的混合过程即可。本发明对所述解胶液的用量没有特殊要求，能够将活化碳纤维完全浸没即可。

在本发明中，所述解胶的温度优选为30～50℃，时间优选为2～5min。本发明在解胶过程中，盐酸将Sn(OH)₂消耗掉，使胶团内的单质钯颗粒裸露出来，从而使其可以在沉积过程中起到催化作用。

完成所述解胶后，本发明优选将所得纤维采用去离子水冲洗2～3次，得到解胶碳纤维。

得到解胶碳纤维后，本发明将所述解胶碳纤维浸没到金属沉积液中，进行金属沉积，得到改性碳纤维。

在本发明中，所述金属沉积液优选包括：硫酸镍15～25g/L、次亚磷酸钠15～25g/L、乳酸15～25mL/L和余量的水；更优选包括：硫酸镍20g/L、次亚磷酸钠20g/L、乳酸20mL/L和余量的水；所述金属沉积液的pH值优选为3.5～4.5。

在本发明中，所述金属沉积的温度优选为50～70℃，更优选为60℃；时间优选为20～40min，更优选为30min。

本发明所述沉积过程中，钯作为催化剂，促进Ni²⁺与H₂PO₂ ^-发生氧化还原反应，其中Ni²⁺被还原生成Ni，由于钯催化剂在碳纤维表面的均匀分布，促进Ni的沉积位点更加均匀，进而在碳纤维表面沉积一层均匀的金属(Ni)镀层，得到改性碳纤维。

完成所述沉积后，本发明优选还包括对沉积的纤维采用去离子水清洗2～3次，得到改性碳纤维。

本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的改性碳纤维。在本发明中，所述改性碳纤维包括碳纤维和附着于碳纤维表面的金属镀层；所述金属镀层的厚度优选为1～3μm。本发明的改性碳纤维中金属镀层分布均匀(镀层厚度标准差低至0.05μm)，且制备过程中由于采用浓硫酸和浓硝酸为粗化液，相对于以过硫酸铵和稀硫酸组成的传统粗化工艺，混合强酸粗化过程可以显著提升碳纤维表面沟壑深度、表面粗糙度，进而提升了镀层与碳纤维间的粘结强度，有利于提高碳纤维增强铝基复合材料的综合力学性能。

本发明提供了一种改性碳纤维增强铝基复合材料，包括上述方案所述的改性碳纤维和铝合金基体；所述铝合金基体将改性碳纤维包裹，并渗浸在改性碳纤维丝之间。本发明对所述铝合金基体的成分没有特殊要求，本领域熟知的铝合金均可。在本发明中，所述铝合金基体中优选含Mg，所述Mg的含量优选＜5wt％。在本发明中，所述改性碳纤维增强铝基复合材料中改性碳纤维的体积百分含量优选为1～5％，更优选为2～4％。在本发明中，所述改性碳纤维增强铝基复合材料的形状优选为板材，所述板材的厚度优选为10～20mm。

本发明的改性碳纤维增强铝基复合材料采用经过金属表面改性的碳纤维作为增强相，与铝合金基体具有良好的润湿性，在本发明中，通过碳纤维的表面金属化，可以有效改善铝合金熔体与碳纤维间的润湿性，使得熔体在渗进过程中的毛细压力成为渗进动力，渗进过程由使用原始碳纤维时的物理填充过程转变为自发渗进过程。与此同时，提升镀层均匀性以及镀层与碳纤维间的粘结强度可以有效改善Al-镀层金属界面的应力集中和碳纤维-基体界面由于界面结合强度所导致的迅速失效，从而提高碳纤维增强铝基复合材料的抗拉强度。

本发明提供了上述方案所述改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将铝合金背板进行预热，得到预热背板；

将改性碳纤维进行预热，得到预热改性碳纤维；

在所述预热背板的上表面铺设所述预热改性碳纤维，之后在铺设好的预热改性碳纤维表面浇注铝合金熔体并将改性碳纤维完全覆盖，待覆盖层凝固成半固态后进行轧制，得到改性碳纤维增强铝基复合材料。

本发明将铝合金背板进行预热，得到预热背板。在本发明中，所述铝合金背板的材质对应上述方案中所述改性碳纤维增强铝基复合材料中铝合金基体的材质。在本发明中，所述铝合金背板的厚度优选为5～10mm。本发明优选先对铝合金背板进行表面清洗和打磨处理，然后再进行预热。本发明对所述表面清洗和打磨处理的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的表面清洗和打磨过程即可。在本发明中，所述预热优选在热处理炉中进行；所述预热的温度优选为480～520℃，更优选为490～510℃；时间优选为20～40min，更优选为25～35min。

本发明将改性碳纤维进行预热，得到预热改性碳纤维。在本发明中，所述改性碳纤维预热的温度优选为180～220℃，更优选为190～210℃；时间优选为20～40min，更优选为25～35min。在本发明中，所述改性碳纤维的预热优选在干燥箱中进行。在本发明中，所述改性碳纤维在预热时优选以纤维束的形式预热，以利于后续在预热背板表面进行铺设。本发明对所述纤维束中纤维的根数没有特殊要求，在本发明的实施例中，所述纤维束中碳纤维的根数为3000根。

本发明对背板和改性碳纤维进行预热，可以使浇注后的铝合金熔体不会迅速凝固，从而在轧制的过程中保持半固态。

得到预热背板和预热改性碳纤维后，本发明在所述预热背板的上表面铺设所述预热改性碳纤维，之后在铺设好的预热改性碳纤维表面浇注铝合金熔体并将改性碳纤维完全覆盖，待覆盖层凝固成半固态后进行轧制，得到改性碳纤维增强铝基复合材料。

本发明对所述预热改性碳纤维的铺设厚度没有特殊要求，根据改性碳纤维在复合材料中的体积分数确定。本发明优选在预热背板的整个上表面均匀铺设预热改性碳纤维。

在本发明中，所述铝合金熔体的成分与铝合金背板的成分一致，均对应上述方案中所述改性碳纤维增强铝基复合材料中铝合金基体的成分。在本发明中，所述铝合金熔体的制备过程优选包括：采用高频感应炉对工业纯铝进行熔炼，加热温度720±5℃，加热熔炼5～15min；待完全熔化后按设计成分加入合金元素，并以石墨棒搅拌均匀，得到铝合金熔体。

本发明对所述铝合金熔体的浇注过程没有特殊要求，采用本领域熟知的浇注过程即可。在本发明中，所述覆盖层的厚度优选为10～15mm。在本发明中，浇注铝合金熔体1～3min后便可凝固成半固态。

在本发明中，所述轧制优选采用双辊轧制，轧辊间距优选为10～20mm，轧辊转速优选为2～5rad/min。

轧制过程中，铝合金熔体在压力的作用下渗浸到碳纤维之间，最后铝合金背板和铝合金熔体共同将改性碳纤维包裹，形成改性碳纤维增强铝基复合材料。

完成所述轧制后，本发明优选还包括对轧制后的板材进行冷却，本发明对所述冷却的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的冷却过程即可。

为了便于本领域技术人员更清楚的了解本申请的技术方案，现结合图6对本发明所述改性碳纤维增强铝基复合材料的制备方法进行说明。本发明将铝合金背板2进行预热，得到预热背板；将改性碳纤维3进行预热，得到预热改性碳纤维；在所述预热背板的上表面铺设所述预热改性碳纤维，之后在铺设好的预热改性碳纤维表面浇注铝合金熔体并将改性碳纤维完全覆盖，待覆盖层4凝固成半固态后采用轧辊5进行轧制，得到改性碳纤维增强铝基复合材料6。其中，本发明通过铝合金熔体浇口1进行铝合金熔体的浇注。

下面结合实施例对本发明提供的改性碳纤维及其制备方法、改性碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

胶体钯活化液的制备原料包括0.5g/L的氯化钯、35g/L的氯化亚锡、50mL/L的浓盐酸(质量分数为36.0％)、178g/L的氯化钠、10g/L的纯金属锡和余量的水；

胶体钯活化液的制备方法为：将氯化钯溶于浓盐酸中，得到溶液A；将氯化亚锡、氯化钠溶于一半的去离子水中，再加入金属锡，得到料液B；将所述溶液A加入到料液B中，搅拌加水至目标量。

改性碳纤维的制备：

(1)将出厂碳纤维(直径为7.2μm)放入丙酮中，在24℃下超声处理35min，去除出厂碳纤维表面的保护胶，然后将去除保护胶的碳纤维经过去离子水冲洗3次，得到去胶碳纤维；

(2)将所述去胶碳纤维放入除油液(含有60g/L的氢氧化钠、20g/L的碳酸钠以及40g/L的磷酸钠的水溶液)中，并在70℃下超声处理30min，之后采用去离子水冲洗碳纤维3次，得到除油碳纤维；

(3)将所述除油碳纤维放入粗化液(含有200mL/L浓硝酸以及200mL/L浓硫酸的水溶液，其中，浓硝酸的质量分数为65％，所述浓硫酸的质量分数为98.3％)中，并在40℃下超声处理15min，然后采用去离子水冲洗碳纤维3次，得到粗化碳纤维；

(4)将所述粗化碳纤维在24℃下浸没在胶体钯活化液中活化5min，然后采用去离子水冲洗碳纤维3次，得到活化碳纤维；

(5)将所述活化碳纤维40℃下浸没入解胶液(含有100mL/L浓盐酸的水溶液，其中浓盐酸的质量分数为36.0％)中3min，采用去离子水冲洗碳纤维3次，得到解胶碳纤维；

(6)将所述解胶碳纤维在60℃浸没入金属沉积液中30min，最后用去离子水冲洗碳纤维3次，得到改性碳纤维。其中，金属沉积液为含有20g/L的硫酸镍、20g/L的次亚磷酸钠以及20mL/L的乳酸的水溶液，pH值为4。

本发明所使用碳纤维除胶后表面形貌如图1所示，图1显示碳纤维表面较为光滑且有较浅沟壑。

本发明化学镀镍后碳纤维表面形貌如图2所示，图2显示镀层均匀连续，且无团聚现象发生；用原子力显微镜测得镀层表面粗糙度Ra＝13.4nm，说明本发明的镀层光滑，镀层平均厚度1.20μm，标准差为0.05μm，说明本发明的镀层均匀。

对比例1

使用传统的化学镀改性工艺对碳纤维进行表面金属化，具体步骤为：

步骤(1)～(2)同实施例1；

(3)将所述除油碳纤维放入粗化液(含有200g/L过硫酸铵以及50g/L浓硫酸的水溶液，其中，所述浓硫酸的质量分数为98.3％)中，并在40℃下超声处理15min，然后采用去离子水冲洗碳纤维3次，得到粗化碳纤维；

(4)将步骤(3)得到的粗化碳纤维在30℃下浸没在敏化液(含有15g/L的氯化亚锡、40mL/L的盐酸以及10g/L的纯金属锡的水溶液)中30min，并采用去离子水冲洗碳纤维3次，得到敏化碳纤维；

(5)将所述敏化碳纤维在50℃下浸没在活化液(含有0.5g/L的氯化钯以及10mL/L的盐酸的水溶液)中30min，然后用去离子水冲洗碳纤维3次，得到活化碳纤维；

(6)同实施例1的步骤(6)。

对比例1所使用化学镀镍后碳纤维表面形貌如图3所示，图3显示镀层连续，但局部有团聚现象发生，镀层均匀性较差，用原子力显微镜测得镀层表面粗糙度Ra＝41.3nm，镀层平均厚度1.26μm，标准差为0.28μm。

此外，由实施例1和对比例1还可知，相对于传统化学镀工艺，本发明中使用一步法胶体钯活化工艺取代传统的敏化、活化两步法工艺，镀液温度由传统的30℃(敏化)以及50℃(活化)降低至24℃，反应时间由两步法的总和60min降低至5min，显著提升了化学镀效率。

对比例2

使用优化粗化步骤(未优化敏化活化步骤)的化学镀改性工艺对碳纤维进行表面金属化，具体步骤为：

步骤(1)～(3)同实施例1；

(4)将步骤(3)得到的粗化碳纤维在30℃下浸没在敏化液(含有15g/L的氯化亚锡、40mL/L的盐酸以及10g/L的纯金属锡的水溶液)中30min，并采用去离子水冲洗碳纤维3次，得到敏化碳纤维；

(5)将所述敏化碳纤维在50℃下浸没在活化液(含有0.5g/L的氯化钯以及10mL/L的盐酸的水溶液)中30min，然后用去离子水冲洗碳纤维3次，得到活化碳纤维；

(6)同实施例1的步骤(6)。

对比例2所使用化学镀镍后碳纤维表面形貌如图4所示，图4显示镀层连续，但局部有团聚现象发生，镀层均匀性较差，用原子力显微镜测得镀层表面粗糙度Ra＝44.3nm，镀层平均厚度1.17μm，标准差为0.28μm。

对比例3

使用优化敏化活化步骤(未优化粗化步骤)的化学镀改性工艺对碳纤维进行表面金属化，具体步骤为：

步骤(1)～(2)同实施例1；

(3)将所述除油碳纤维放入粗化液(含有200g/L过硫酸铵以及50g/L浓硫酸的水溶液，其中，所述浓硫酸的质量分数为98.3％)中，并在40℃下超声处理15min，然后采用去离子水冲洗碳纤维3次，得到粗化碳纤维；

步骤(4)～(6)同实施例1。

对比例3所使用化学镀镍后碳纤维表面形貌如图5所示，图5显示镀层连续，较对比例2团聚现象得到显著改善，镀层均匀性良好，但仍存在部分团聚，较实施例1镀层的均匀性也较差。用原子力显微镜测得镀层表面粗糙度Ra＝22.8nm，镀层平均厚度1.17μm，标准差为0.20μm。

实施例2

使用图6所示的装置制备改性碳纤维增强铝基复合材料，具体步骤为：将实施例1制备的3000根直径7.2μm的改性碳纤维丝组成的碳纤维束在200℃预热30min，得到预热改性碳纤维；

将5mm厚的Al-2.5Mg合金背板在500℃预热30min，得到预热背板；

将预热改性碳纤维铺设到预热背板上，所述碳纤维在复合材料中体积百分含量为3.5％；

将高频感应熔炼后的720℃的Al-2.5Mg合金熔体通过浇口浇注对碳纤维进行完全覆盖，并保温2min；当铝合金熔体覆盖层达到半固态状后开动轧机，以10mm作为轧辊间距，在3rad/min的转速下完成复合材料的成型过程，得到厚度10mm的改性碳纤维增强铝基复合材料。

按照标准号GB/T228.1-2010公开的方法测试本实施例中所得碳纤维增强铝基复合材料的抗拉强度，结果为140MPa。

图7为本实施例所制备的碳纤维增强铝基复合材料横截面的SEM图。由图7可知本实施例所得复合材料中铝合金基体充分填充在碳纤维束丝之间，导线内没有空隙。

对比例4

与实施例2的不同之处在于，采用对比例1制备的改性碳纤维，其余同实施例2。

按照标准号GB/T228.1-2010公开的方法测试本实施例中所得碳纤维增强铝基复合材料的抗拉强度，结果为103MPa。

对比例5

与实施例2的不同之处在于，采用对比例2制备的改性碳纤维，其余同实施例2。

按照标准号GB/T228.1-2010公开的方法测试本实施例中所得碳纤维增强铝基复合材料的抗拉强度，结果为119MPa。

对比例6

与实施例2的不同之处在于，采用对比例3制备的改性碳纤维，其余同实施例2。

按照标准号GB/T228.1-2010公开的方法测试本实施例中所得碳纤维增强铝基复合材料的抗拉强度，结果为106MPa。

由实施例2和对比例4～6的结果可知，采用本发明方法制备的改性碳纤维作为增强相，因镀层更加均匀、镀层与碳纤维的结合强度提高从而得到的碳纤维增强铝基复合材料具有更高的抗拉强度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。