錢王歡 韋元

[摘 要] 提高電鑄層強度是國內(nèi)外電鑄制造技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。在分析和總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，首次提出在柔性受壓的條件下將碳纖維束以單絲形式鋪開，并有序纏繞于陰極芯模表面，然后電鑄成形。圍繞提出的新技術(shù)，重點介紹了碳纖維柔性受壓纏繞的精確控制以及降低電鑄層內(nèi)部孔隙率的方法。

[關(guān) 鍵 詞] 特種加工；碳纖維；電鑄；強度

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）31-0086-02

一、引言

電鑄是一種精密特種加工方法，它利用金屬離子在陰極表面電沉積的原理進行零件的成形加工。與傳統(tǒng)的金屬成形工藝相比，具有復制精度高、重復精度高、適用范圍廣、電鑄零件性能的可控性強、生產(chǎn)成本低等特點，因此廣泛應用于制備火箭發(fā)動機噴管、電加工電極、微型機械構(gòu)件等。

抗拉強度是電鑄層的重要性能指標，提高電鑄層抗拉強度的手段有很多種，例如，細化晶粒、摩擦輔助、合金增強、顆粒增強、連續(xù)纖維增強等。其中，使用連續(xù)纖維增強的效果最為顯著。因為理論上來說，如果在電鑄層受載方向上有序加入大量高強度連續(xù)纖維，那么在電鑄層受到拉伸時，這些高強度纖維能夠比金屬承受高得多的載荷，進而提高整個電鑄層的強度。

常見的增強纖維包括碳纖維、硼纖維、鎢絲、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等，與其他增強纖維相比，碳纖維具有更小的單絲直徑、更高的比強度等特點，并且價格便宜。因此若將碳纖維引入電鑄制造技術(shù)，將過去單一金屬或合金電鑄層轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維增強復合電鑄層，那么一方面會顯著提高電鑄零件的力學性能，另一方面也能擴展電鑄制造的應用范圍。對于電鑄技術(shù)現(xiàn)有的一些重要應用場合，譬如液體火箭發(fā)動機推力室身部、電加工電極、部分微納結(jié)構(gòu)等，碳纖維與電鑄技術(shù)的成功結(jié)合必將深刻改變它們的制造過程和性能。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對碳纖維增強復合電鑄層的研究較少，當前研究主要集中在使用硼纖維、鎢絲、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等方面，雖然取得了一定的進展，但也面臨著不少問題。

日本的Kuboyama等使用的增強纖維是抗拉強度在1800 MPa以上的束狀Al2O3纖維和束狀SiO2纖維。但是最后得到的復合電鑄層的強度卻不甚理想，原因在于纖維排列的無序性導致束狀纖維內(nèi)部并沒有被電鑄金屬包裹，復合電鑄層內(nèi)部孔隙率很高。

歐洲宇航防務集團（EADS）采用B、B4C-B、BN-B、SiC-B等輕質(zhì)高強度纖維與銅、鎳、鋁等金屬進行了復合電鑄，得到的復合電鑄層纖維含量在18%～49%之間，抗拉強度明顯高于純金屬電鑄層，其中Ni-SiC-B復合電鑄層常溫抗拉強度達到了1000 MPa。

美國的Kazaroff在NASA報告中提出了在火箭發(fā)動機噴管上按照特定紋路預先纏繞具有一定強度的纖維，然后再進行電鑄的方法。此方法在提高強度的同時降低了噴管的重量，因此火箭可以將更多的有效載荷送入空中，具有重要的意義。

國內(nèi)對連續(xù)纖維增強復合電鑄的報道所見不多。廈門大學羅學濤等先將增強纖維編織成網(wǎng)，然后包裹在不銹鋼基體上進行電鑄，通過SEM觀察制備的碳纖維—銅、玻璃纖維—銅等三種復合材料的斷口形貌和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部致密，孔隙較少。但并沒有深入研究復合電鑄層的力學性能。

三、碳纖維增強金屬的柔性受壓纏繞電鑄制造技術(shù)

與硼纖維、鎢絲等以單絲形式供應的纖維不同，碳纖維是以束狀形式供應的，而且每束由至少1000根直徑在6～8μm左右的柔軟單絲互相堆垛在一起組成，因此將碳纖維成功摻入復合電鑄層比將硼纖維、鎢絲等纖維摻入復合電鑄層的難度要大得多。具體表現(xiàn)在：

參與電化學反應的新鮮電解液無法及時足額地滲透到處于纖維束內(nèi)部的單絲附近參與反應，導致碳纖維內(nèi)部的大量單絲處于懸空狀態(tài)，根本未起到增強作用。

反應生成物（主要為大量的氫氣）吸附于碳纖維表面，未能及時排離，不僅破壞電沉積過程的穩(wěn)定性，而且形成的孔隙直接影響材料最終的強度。

為了解決這些問題，本文提出在碳纖維纏繞電鑄的過程中，利用一柔性介質(zhì)（柔性壓緊輪）對碳纖維施加一定的壓力，使堆垛在一起的束狀碳纖維以單絲的形式鋪開并緊貼于陰極表面，如下圖所示。同時，采用對碳纖維束與陰極的結(jié)合處噴射以高速流動的電解液或施加超聲振動等方式強化電沉積發(fā)生區(qū)域的液相傳質(zhì)過程，使新鮮的電解液不斷補充入碳纖維束內(nèi)部，同時帶走反應生產(chǎn)物。

（一）碳纖維柔性受壓纏繞的實現(xiàn)及精確控制

為使碳纖維束以單絲的形式鋪開，柔性介質(zhì)與陰極之間的壓力必須要足夠大；另一方面，為防止在纏繞的過程中將碳纖維扯斷，該力又不能過大。本文設(shè)計的柔性輪內(nèi)芯為不銹鋼，外層為海綿。與剛性材料相比，柔性的海綿能夠與碳纖維接觸得更為緊密。此外，緊貼于碳纖維束的海綿還能隨時向碳纖維束內(nèi)部補充新鮮的電解液，防止內(nèi)部因缺乏電解液而產(chǎn)生空洞。

隨著電沉積的進行，陰極表面不斷有金屬沉積，厚度增加，雖然柔性的海綿在其彈性極限內(nèi)具備一定的退讓空間，但為了防止過大的壓緊力導致碳纖維在纏繞時被拉斷，有必要在壓緊輪表面設(shè)置一高精度的壓力傳感器，并設(shè)計專門的恒壓力伺服控制系統(tǒng)。

（二）降低高纖維體積分數(shù)下復合電鑄層內(nèi)部孔隙率的方法

理論上來說，復合電鑄層的強度σ由纖維的強度σf和體積分數(shù)Vf以及纖維破壞時基體所受應力σm*和基體體積分數(shù)Vm決定，公式如下：

從公式中可以看出，復合電鑄層的強度與纖維的體積分數(shù)成線性正相關(guān)，因此要獲得更高強度的纖維增強金屬材料，應該不斷提高增強纖維的體積分數(shù)。但實際效果卻非常微弱。因為復合電鑄層能達到上述強度的前提是其內(nèi)部致密無孔洞，纖維與基體結(jié)合良好，但事實卻并非如此。如前所述，當過量的束狀碳纖維密集地加入電鑄層時，由于電鑄過程液相傳質(zhì)嚴重受阻，濃度場分布不均，以及部分區(qū)域的電場被屏蔽，導致很多居于碳纖維束內(nèi)部的單絲無法與金屬完全緊密結(jié)合而處于懸空狀態(tài)，在電鑄層受到拉伸時，這些碳纖維單絲根本沒有起到增強作用。

為此，有必要研究碳纖維體積分數(shù)與最終抗拉強度的關(guān)系，探索最佳的碳纖維摻入比例；在分析碳纖維柔性受壓纏繞電鑄過程電場分布情況和液相傳質(zhì)過程的基礎(chǔ)上，重點探索降低高體積分數(shù)下復合電鑄層內(nèi)部孔隙率的有效辦法，例如在適當位置增加高速沖液設(shè)備、使用超聲振動等方式提高傳質(zhì)速率，嘗試不同的碳纖維纏繞間隙和電流密度以調(diào)整電場分布，最終達到降低內(nèi)部孔隙率，最大限度地發(fā)揮碳纖維增強作用的目的，獲得高強度的碳纖維增強復合電鑄層。

參考文獻：

[1]陳鈞武，何士桓.電鑄原理與工藝[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2]張國定，趙昌正.金屬基復合材料[M].上海：上海交通大學出版社，1995.

[3]Kuboyama K， Ishibashi T， Uchio S. Fabrication of metal matrix composites by electroforming technique[J].International Journal of Materials and Product Technology， 2001（16）：67-73.