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user: 3. 结果与讨论 3.1. 电镀前后碳纤维的形貌对比 由于金属镍具有良好的导电性能，碳纤维表面金属化镀镍会大大提高碳纤维的导电性能。见图1为电镀前后碳纤维的SEM照片。 由图1(b)可以看出，电镀后碳纤维表面的镍镀层均匀、连续，同时镀层镍碳纤维表面沿着径向分布许多凹槽，可提高碳纤维与基体环树脂之间的界面结合。此外碳纤维经电镀金属镍后导电性能有所提高。有利于屏蔽性能的提高，尤其是由于金属镍具有较好的磁导率 [ 5 ] ，所以极大的提高了低频段100 kHz屏蔽效能。经过游标卡尺测量镀层厚度约为1.5 um。 3.2. 施镀时间对镀层的影响 施镀时间是控制镀层厚度的一个主要工艺参数。施镀时间与碳纤维增重率之间的关系如图2所示。 从图2可以看出，随着施镀时间的延长，碳纤维的增重率一直呈上升趋势，但达到一定时问后，增重速率是下降的。这说明随着碳纤维上镍沉积量的增加，碳纤维表面镍的结晶核心变少，因此增重速率下降 [ 6 ] 。所以最佳的施镀时间为6 min。 图1. 电镀前后CF的SEM照片。(a) 电镀前；(b) 电镀后 图2. 施镀时间与碳纤维增重率之间的关系 3.3. 电流密度对镀层的影响 1) 电流密度对镀层形貌的影响 图3为不同电流密度条件下制备镀镍层的表面形貌。不同电流密度下镀镍层的表面粗糙和表面球形颗粒的大小，分布并不相同。在电流密度为1~5 A/dm 2 时，随着电流密度的增大，镍镀层的表面球形颗粒尺寸和粗糙度逐渐降低，镀层致密性提高；当电流密度大于5 A/dm 2 时，阴极吸氢加剧，镀液浓差极化增加，导致镀层表面粗糙度的增加，当电流密度达到7 A/dm 2 时，粗糙度进一步加剧，此时的表面粗糙粗达到最大 [ 7 ] 。 2) 电流密度对镀层表面粗糙的影响 图4为电流密度对镀镍层表面粗糙度的影响。由图可见电流密度增大，镀层的表面粗糙度先降低后增加，5 A/dm 2 时达到最小值粗糙度为0.27 um，7 A/dm 2 时达到最大值粗糙度为0.69 um这种变化与表面形貌的观察结果相一致(图3)在2 A/dm 2 的较低电流密度下，阴极反应过电位较低，晶体的形核率也较低，镀层的晶粒尺寸较大，晶粒的较大的镀层表面一般以倾斜的结晶平面为界，表面上的台阶相当高，同时晶粒边界形成“深谷”，从而镀层的表面粗糙度较高 [ 8 ] 。随着电流密度的增大，电化学极化增大，阴极反应过电位增高，晶核临界半径尺寸变小，晶体的形核率增加，使晶体的形速度大于生长速度，因而镀层的晶粒尺寸变细，镀层表面粗糙度降低，当电流密度6 A/dm 2 阴极析氢变的较为严重，阴极/溶液界面处镍离子的反应消耗变快，镀液的浓差极化开始加剧，尽管较快的阴极移动具有一定的搅拌作用，但除氢和去极化效果有限，因而导致镀层结晶粗糙和表面粗糙度的增加，当电流密度达到7 A/dm 2 这种现象变得更加严重，因此镀层的表面粗糙度继续增加并达到最大值 [ 9 ] 。 3.4. 热压罐镀镍碳纤维布铺层设计 热压罐成型法制备的镀镍碳纤维复合材料具有致密 [ 10 ] 、力学性能好；但是在热压罐成型过程中为了使镀镍碳纤维复合材料具有突出的综合性能，需要对镀镍碳纤维布进行铺层设计，进一步提高镀镍碳纤维复合材料屏蔽及力学性能。 1) 镀镍碳纤维布角度的铺层设计 由于碳纤维复合材料是一种各向异性严重的不均匀材料，其性能的分析方法要比金属材料复杂的多，所以碳纤维的铺层方向与电磁场的夹角对电磁屏蔽特性有影响，尤其是对低频的电磁屏蔽性能影响较大， 图3. 电流密度对镀层形貌的影响。(a) 1 A/dm 2 ；(b) 3 A/dm 2 ；(c) 4 A/dm 2 ；(d) 5 A/dm 2 ；(e) 7 A/dm 2 图4. 电流密度对镍镀层表面粗糙度的影响 并且还直接影响着复合材料的力学性能，为确保碳纤维复合材料综合性能的铺层的角度设计是一个必不可缺的步骤。不同角度复合材料的性能如表1。 从表1可以看出，随着夹角的增大，对电磁波的反射减小，吸收增加，镀镍碳纤维复合材料的屏蔽较好，并且此种的铺层方式力学性能较优，这与我们的预想及实验一致。所以我们确定了最优的铺层角度为0˚/90˚/0˚。 2) 铺层厚度 表2为不同铺层厚度的镀镍碳纤维布制备的复合材料的性能。 Table 1 Properties of composite materials with different angle 角度(˚) 100 kHz/dB 拉伸强度(MPa) 45˚/0˚/90˚ 45 695 90˚/45˚/90˚ 58 743 0˚/90˚/0˚ 77 898 表1. 不同角度复合材料的性能 Table 2 Properties of composite materials with different thicknes 厚度(mm) 100 kHz/dB 拉伸强度(MPa) 2 45 695 3 75 898 4 75 578 表2. 不同厚度复合材料的性能 从表2中可以看出厚度为3 mm时复合材料的综合性能较好，2 mm、4 mm时复合材料的综合性能差于3 mm，这是由于复合材料厚度较小，复合材料的屏蔽性能与厚度有这正比例的关系，厚度越厚屏蔽性能越好，所以2 mm屏蔽性能较差，当复合材料为4 mm时，屏蔽性能较好，但力学性能下降，这是由于纤维与纤维之间的层间强度减小，导致复合材料的力学性能减小，这与我们预期的一致。而厚度为为3 mm时，力学性性能与屏蔽性能最好，镀镍碳纤维功能化最优。 3.5. 力学性能 电流密度为5 A/dm 2 时，不同镀镍时间的力学性能如表3。 从表3可以看出，随着镀镍时间的延长，复合材料的力学性能有所下降．这是由于镀层金属的存在，使树脂与碳纤维的直接接触面积减小，树脂与碳纤维之间的界面强度更低，所以时间越小，镀层厚度越厚，加剧了力学性能下降 [ 11 ] ，这与我们预想的一致。 3.6. 电磁屏蔽性能 1) 电磁屏蔽效能的测试装置 电磁屏蔽效能测量方法，采用图5所示的装置进行测试装置。 采取扫频方式，测量范围为14 kHz~40.00 GHz。扫描间隔带宽为0.01 GHz，计算的指标为屏蔽效能。计算方法如下式所示 式中：P 1 为测试台中空程时的接收功率；P 2 为测试台中负载试样的接收功率。 2) 电流密度对屏蔽性能的影响 电流密度为5 A/dm 2 时，不同镀镍时间复合材料的电磁屏蔽性能如表4。 从表4可以看出，当镀镍时间为6 min时，复合材料的电磁屏蔽性能100 kHz~18 GHz较好，这是由于镀镍时间较短，纤维表面未能镀上金属镍；镀镍时间过长，镀层越厚，但是碳纤维表面的增重率下降，从而影响了复合材料的电磁屏蔽性能 [ 12 ] ，这与图4所示一致。 图5. 电磁屏效能测试装置图 Table 3 Effect of different nickel plating time on the tensile strength of composite 镀镍时间 拉伸强度(MPa) 4 min 891 6 min 898 8 min 788 表3. 不同镀镍时间对复合材料拉伸强度的影响 Table 4 Influence of different nickel plating time onelectromagnetic shielding effectiveness of composite material 电磁屏蔽 性能 镀镍时间 100 kHz 10 MHz 450 MHz 1 GHz 10 GHz 18 GHz 4 min 28 dB 45 dB 50 dB 45 dB 47 dB 35 dB 6 min 77 dB 89 dB 95 dB 112 dB 98 dB 76 dB 8 min 70 dB 80 dB 89 dB 90 dB 85 dB 63 dB 表4. 不同镀镍时间对复合材料电磁屏蔽效能的影响