关于多巴胺改良电镀液对碳纤维表面铜镀层性能影响的研究

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Study on the effects of dopamine-modified electroplating bath on the performance of copper plating on carbon fiber surfaces

多巴胺介导策略优化铜镀层碳纤维性能，实验显示DA显著提升镀层均匀性（标准差降27%）、耐热性（质量损失减75%）、机械强度（增6.5%）及界面粘附，退火后电导率达1.42×10^5 S/cm（原始3.12倍）。理论分析表明DAH+与Cu2+强配位（315.1 kcal/mol），与碳纤维弱相互作用（58.0 kcal/mol），实现选择性电沉积。该策略为高性能导电纤维提供新方法

　　

张国东|杨伟庄|孙永莲|慈圣宗|王明宇|桥坤

山东大学航空航天科学与工程学院，中国威海264209

摘要

背景

镀铜碳纤维结合了铜的导电性和碳纤维的机械强度，在轻质功能材料方面具有巨大潜力。然而，电镀得到的铜涂层存在厚度不均匀和缺陷问题，限制了性能的优化。

方法

本研究介绍了一种通过多巴胺（DA）介导的策略来调节电镀液，以改善镀铜碳纤维的性能。

主要发现

实验结果表明，DA修饰使镀铜碳纤维的直径分布标准差降低了27%，热冲击后的涂层质量损失减少了75%，单丝拉伸强度提高了6.5%，并且增强了界面附着力和环境稳定性。结合退火处理后，导电性达到了1.42 × 10? S/cm，比原始样品提高了3.12倍。理论分析显示，质子化的多巴胺（DAH?）与Cu2?形成了强烈的配位作用，在Cu(111)表面通过平行苯环吸附的结合能为315.1 kcal/mol，而与碳纤维的相互作用较弱（58.0 kcal/mol），这使得可以有选择地调控Cu2?的电沉积过程。这种优先吸附促进了碳纤维暴露区域的均匀成核，解决了涂层均匀性问题。本研究为解决碳纤维上铜涂层的均匀性问题提供了一种新策略，并为高性能导电纤维材料的设计和制备奠定了理论基础。

引言

高性能碳基复合材料的发展仍是先进材料科学中的一个核心挑战。碳纤维（CF）具有出色的比强度、高弹性模量和优异的热稳定性，在航空航天和新能源汽车等战略新兴领域展现出广阔的应用前景[[1], [2], [3], [4], [5]]。然而，其固有的低导电性（远低于金属导体）限制了其电磁屏蔽效果，无法满足高端设备对多功能复合材料的要求。这一性能限制严重阻碍了碳纤维复合材料在实际应用中的深入整合。

表面金属化改性是提高碳纤维导电性的关键方法[6,7]，其中电镀铜涂层因其成本效益和可扩展性而受到广泛关注[8,9]。例如，Xu等人[10]通过电镀在碳纤维毡上沉积铜，制备出了导电性高达7.49 × 10? S cm?1的树脂基复合材料；Zhang等人[11]通过电镀-退火联合工艺使导电性提高了两个数量级。尽管取得了这些进展，传统电镀仍面临技术瓶颈：碳纤维表面的惰性基团导致金属涂层润湿性差，使得界面以机械互锁为主，容易发生分层和剥离[12]；此外，电镀液中Cu2?离子的不可控还原会损害涂层的均匀性和附着力。尽管含有O/N杂环结构的电镀调节剂在金属电沉积行为中的定向调控作用已通过实验得到验证[[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]，但针对碳纤维表面的这类调节剂的设计仍缺乏系统的理论框架。

多巴胺（DA）是一种含有儿茶酚和氨基基团的天然小分子[23]，在表面/界面工程中具有独特优势[24]。其儿茶酚基团通过配位与金属离子结合，氨基基团与碳纤维上的含氧基团形成氢键，自聚的多巴胺（PDA）薄膜可作为金属沉积的活性基底[23,25]。最新研究表明，DA在金属电沉积过程中具有多功能性，可作为还原剂、络合剂和表面活性剂，协同调控涂层生长[[26], [27], [28]]。例如，Huang等人[29]发现DA能促进Ni2?的还原并降低极化电压，从而在碳纤维表面控制生长PDA/镍复合涂层；Xiang等人[30]使用DA修饰的电解质制备了具有优异油水分离性能的超疏水/超亲油不锈钢网；Wang等人[31]通过DA介导的电沉积在多种基底表面构建了耐腐蚀和耐磨的界面层。

鉴于DA在电沉积过程中对涂层形貌和性能的显著调控作用，本研究提出了一种基于DA的策略来调节铜电镀液。以DA作为功能调节剂，系统地阐明了DA浓度梯度对镀铜碳纤维表面形貌演变、微观结构特征以及机械/电性能参数的影响。同时，还通过理论计算深入分析了DA在铜离子电沉积过程中的作用机制。

实验材料

本研究选用了台湾塑料工业有限公司生产的12千纤维（12k）聚丙烯腈基碳纤维作为基底。这些碳纤维具有规则的微观结构和稳定的物理化学性质，适用于表面金属化改性研究。电镀液系统由多种成分精确配制而成，包括10 g/L酒石酸钠（天津克尔梅尔化学试剂有限公司）和90 g/L

镀铜碳纤维的形态表征

在碳纤维的工业加工中，通常会使用浆料对表面进行涂层处理，以防止纤维磨损和结构损伤。然而，这种处理会显著降低碳纤维在电解质中的润湿性，从而影响目标电镀金属在碳纤维表面的沉积均匀性。为了解决这个问题，本研究使用丙酮溶液对碳纤维进行了脱浆预处理。如图1（b, e）中的表面形貌观察所示，原始碳纤维

结论

本研究通过DA修饰的电镀策略，利用DAH?的强电子供体和界面反应性，解决了镀铜碳纤维的厚度不均匀和结构缺陷问题。通过实验和理论分析，系统揭示了DA对镀铜碳纤维机械/电性能的调控作用及涂层优化机制。在最佳DA浓度1.2 g/L时，DAH?能够有效抑制

CRediT作者贡献声明

张国东：撰写——原始草稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。杨伟庄：数据验证、方法学设计、实验研究、数据分析。孙永莲：实验研究、数据分析。慈圣宗：数据分析。王明宇：项目管理、数据分析。桥坤：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构建。