摘 要

随着复合材料的发展，应用越来越广泛，复合材料轻质高强等众多优点，使得复合材料已经成为工业发展的重要支柱，但是复合材料导电性能一直不好。金属是良好的电导体。通过二者的结合是否会导致不同的电性能结果。

本文研究项目是复合材料表面金属化问题，通过涂刷工艺操作，在复合材料表面涂层金属层，用来改变复合材料表面电性能较差的问题。实验中分别配置不同比例的金属粉末与环氧树脂的混合胶液，分别有50%.75%.100%.200%.300%（百分比指的是金属粉末与环氧树脂的质量添加比例）羰基铁粉添加比例，还有铝粉的不同比例添加量，与环氧树脂混合。然后涂刷到玻璃纤维增强树脂基复合材料表面，测试不同不同比例金属粉末添加量的条件下复合材料表面的各项性能，导电性，巴氏硬度以及扫描电镜图片，观察金属粉末的存在状态。

测试结果显示，在玻璃纤维增强树脂基复合材料表面涂刷金属层，能有效改善复合材料表面的导电性。其中导电性随着金属粉末添加比例的增加，电阻率下将，导电性能更好。在50%.75%的添加比例时，金属层导电性能并不理想；在100%的羰基铁粉添加比例下，金属层的导电性能比较优良，在200%.300%的添加比例时，变化不大。由此推断出，羰基铁粉金属层导电性存在一个渗流阈值，大概在100%添加比例左右。低于这个添加量，不会导电。同时还测试的巴氏硬度，大概在45-55之间，不同部位差别很大，与固化程度有关。

关键词：复合材料，表面金属化，导电性，羰基铁粉，巴氏硬度，渗流阈值

Abstract

With the development of composite materials, more and more widely used, composite materials, such as high-quality high strength, making the composite material has become an important pillar of industrial development, but the composite material conductivity has been bad. The metal is a good electrical conductor. Through the combination of the two will lead to different electrical performance results.

In this paper, the research project is the surface metallization of composite materials. Through the brushing process, the metal layer on the surface of composite material is used to change the surface electrical properties of composite materials. In the experiment, 50% .75%, 100%, 200% and 300% of the mixed liquid of the metal powder and the epoxy resin were respectively arranged in different proportions (the percentage of the addition of the metal powder and the epoxy resin) Carbonyl iron powder addition ratio, as well as aluminum powder in different proportions added, mixed with epoxy resin. Then, the properties of the surface of the composite material were measured, and the properties of the surface of the composite material were measured by the different amount of metal powder. The existence of the metal powder was observed by observing the properties of the surface of the composite material.

The results show that the surface of the glass fiber reinforced resin-based composite material coated metal layer, can effectively improve the conductivity of the composite surface. Where the conductivity increases with the addition of metal powder, the resistivity will be better, the conductivity. When the addition ratio of 50% to 75%, the conductivity of the metal layer is not ideal. In the addition ratio of 100% carbonyl iron powder, the conductivity of the metal layer is excellent, and when the addition ratio is 200% .300% Not big. It is deduced that there is a percolation threshold for the conductivity of the carbonyl iron powder metal layer, which is about 100% added. Below this addition, not conductive. At the same time also test the hardness of Pakistan, about 45-55 between the different parts of the great differences, and the degree of curing.

Keywords: composite, surface metallization, conductivity, carbonyl iron powder, pasteurization, seepage threshold

第一章.绪论

2017年4月16日，我国自主研发的C919大飞机首次高速滑行测试顺利完成。C919中型客机（COMAC C919），是中国首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机，于2008年开始研制。先进材料首次在国产民机大规模应用，第三代铝锂合金材料、先进复合材料在C919机体结构用量分别达到8.8%和12%。

C919大飞机的成功试飞，是我国在航空领域的一个重大进步，标志这我国即将步入航天大国行列。而其中先进复合材料在大飞机机体结构中有较多应用，用复合材料代替金属材料，在保持原有的力学性能甚至更好时，可有效减轻机身的重量，节约成本。这是先进复合材料的又一次典型应用，既显现了优秀的力学性能，又展现的优越的功能性。

复合材料，就是两种或两种以上材料通过或物理或化学的办法经过处理而组成具有新性能的材料。这种复合新材料不仅保留有原材料的性能，通过协同作用，会产生新的性能，使新的复合材料的综合性能可以满足不同的要求。在上世纪因航空工业发展需要，发展出的玻璃纤维增强复合材料，俗称“玻璃钢”，复合材料这一新材料进入人们眼线。自“玻璃钢”出现以来，复合材料飞速发展，如今“玻璃钢”不仅仅只在航空中应用，在交通，民用等各个方面都有应用，由于复合材料的特殊性——可设计性，功能性复合材料也逐渐成为一大热点。随着科技的发展，高性能碳纤维也逐渐取代玻璃纤维在航空复合材料中的地位，同时高性能聚芳纶纤维也开始应用到航空复合材料中去，如凯夫拉纤维，而超高分子量聚乙烯纤维也渐渐应用到民用交通政用工程中，不在是玻璃纤维独占鳌头。随着时代的进步和科技的发展，复合材料已经广泛应用航空航天、船舶、车辆、建筑工程等多个领域，未来材料的发展，复合材料将会是一个很大的空间，会承载更多重任。

碳纤维材料具有显著的优点：力学性能优良，密度小，抗拉强度好，化学性能稳定耐。由于碳纤维这些优良性能，在与环氧树脂材料复合形成的碳纤维增强环氧树脂基复合材料时，也具有以上优点。和金属陶瓷等传统材料相比，有更好的比强度比模量，优秀的化学稳定性，耐酸碱腐蚀。在这些优势的条件下，碳纤维增强环氧树脂基复合材料也成为制作大飞机材料的首选，不仅具有优良的力学性能，更具有一定的功能性，在减轻机身重量这一块，有很大成效。

然而这种非金属材料应用有一个非常大的限制，缺乏导电性。飞机是一个金属铝机身使，有非常好的导电性，当遇到一个闪电打击时，里面电荷会在整个金属机身外壳流动，直到这些电荷再次回到周围的空气中。在闪电打击时，电流达到2.10A时是可以被传递到空气中去。当有一个碳纤维增强复合材料机身时，有非常好的抵抗力，不会允许电流通过。碳纤维增强复合材料（CFRP）和铝合金相比，有更低的电导率。尽管碳纤维是很好的电导体，树脂基体是非常好的电绝缘体，因此降低了整个复合材料夹层的导电性。闪电多发部位，像涡轮进口，机翼尖稍，尾部边缘部分可能会被闪电释放能量导致的高温融掉，因此闪电雷击造成的安全和经济的损害，对飞机制造商和运营商都是一个挑战。

1.1复合材料表面金属化目的及意义

环氧树脂基复合材料具有轻质高强，耐腐蚀，耐老化，高性价比，成型工艺简单等优点，在军事航空领域有广泛的应用，在民用和政府工程中也有很多应用。但是环氧树脂基复合材料由于原材料性能的限制，介电常数低，属于绝缘材料，电性能不好，然后表面耐磨性不太好。因此，对环氧树脂基复合材料进行表面金属化处理，使其表面具有金属般的导电性，以及增强表面的耐磨性，同时扩展其应用。对环氧树脂基复合材料进行表面金属化处理有着很重要的意义。

1.2表面金属化工艺

非金属材料表面金属化是材料科学的一个重要的研究点，对于研究新材料，扩展新材料的应用领域，具有重要的实践和指导意义。表面金属化的方法有很多，有金属喷涂法，化学镀膜法，高温还原法，机械化学法，电镀法等。根据不同材料和不同形状选择合适的工艺。针对环氧树脂基复合材料，耐酸腐蚀性能优异，采取一些其他方法很难在其表面形成金属层。

1.2.1粉末冶金

粉末冶金是用金属粉末或金属粉末混合物作为原料，经过烧结制作成型的复合材料和金属材料的各种类型的工艺制品。实在成型过程中形成金属层或金属分布层。

1.2.2电镀和电铸

电镀是利用通电电解金属的方式用金属店沉积方式在材料表面形成金属层，以达到保护或改善性能的目的。电铸原理和电镀想同，不同的事电铸是在芯模上电沉积金属，然后再将电铸层与母模分离开来获得金属制件或金属层的方法。电镀工艺流程主要包括活化、粗化、敏化、化学镀和电镀。其中，对于环氧树脂基复合材料表面金属特殊的活化处理，降低材料表面的耐酸碱腐蚀，使其电镀效果更好，粗化工艺是为了提高镀层与制件表面的结合力。粗化液主要成分，H₂SO₄ 430-450g/L,CrO₃ 350-400g/L。敏化液，PdCl₂ 0.5-1.0g/L HCl 300-350g/L SnCl₂▪2H₂O 50-60g/L Na₂SnO₃▪7H₂O 5-40g/L.

1.2.3金属喷涂法

金属喷涂法又有很多种类，有等离子喷涂，电弧喷涂，热喷涂和冷喷涂等。该工艺试将两根金属线放进喷枪内，使前端相交，金属线在电弧作用下融化，融化后的金属雾化成微粒，以极细的粒子状态喷到预先准备好的制件表面形成一层完善的金属覆盖层。

喷涂发制备金属涂层，操作简单，实施方便，可在复合材料结构制件表面制备金属导电涂层。但是这种方法制备的涂层精度和均匀度都比较差，不易控制，致密性也不好。

采用热喷涂时需要注意温度控制，复合材料基体的耐高温性能问题。采用等离子喷涂，电弧喷涂等温度过高时，甚至会破坏复合材料构件。冷喷涂法相对于上述几种较为方便，克服了高温而导致复合材料结构件的损坏。对于要求不高的树脂基复合材料结构件进行表面金属处理时，可采用冷喷涂法。

1.2.4金属转移法

所谓金属转移法，就是先在模具表面形成金属层，在通过工艺成型过程中利用模具，在模具内操作，热压固化成型脱模，最后金属层将从模具表面转移到复合材料制件表面。金属转移法会用到前面所说的电镀法，主要类型有在模具上电镀金属，在模具上刷镀金属和在模具上喷涂金属。模具上电镀金属，精度较高但是操作困难。刷镀操作相对简单且不受模具形状影响，但是均匀难以保证，效率低下。模具上喷涂转移法工艺要点是在模具上喷涂一层高分子转移膜，再进行后面的操作，最后成型复合材料。其中高分子膜较为关键，称为转移膜。转移膜的配方要求其成型后厚薄均匀，有一定强度。既有一定的附着力，又要在成型后方便从金属涂层上脱落。

金属转移法的优点在于，不受零件形状和尺寸的影响，只要有模具就可以进行。缺点在于金属膜厚度和精度不易控制，且附着力相对较低，在某些环境下容易脱落。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

国外在树脂基复合材料表面金属化工艺研究方面比较成熟。常用的便面金属化技术主要包括真空镀，溅射镀，多户例子镀以及喷涂等。通过复合材料表面金属化，既能满空用树脂基复合材料的结构和性能要求，又可以增加复合材料在其他领域的应用。例如：

1989年，洛克希德空间飞行公司以及波音飞行公司在太阳帆表面溅射沉积ITO膜，以防护氧原子侵蚀。

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