一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法

本發(fā)明技術(shù)方案涉及一種碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、碳纖維（cf）材料廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事和高端汽車工業(yè)。cf具有高拉伸強(qiáng)度、高楊氏模量、低密度和優(yōu)異的耐化學(xué)性等特性，是一種可用于輕量復(fù)合材料的完美強(qiáng)化材料。然而，cf在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多問題，例如纖維在制備和使用過程中，由于表面氧化而導(dǎo)致性能降低；cf和基體結(jié)合強(qiáng)度過強(qiáng)或過弱，影響增韌效果。現(xiàn)階段，通過在纖維表面制備一層致密且均勻的碳涂層，使cf在復(fù)合材料制備和使用過程中不被氧化，避免纖維性能退化。另外，涂層的存在可以改善纖維與基體材料的結(jié)合特性，提高cf復(fù)合材料的性能。

2、目前，碳纖維表面的碳涂層制備主要是通過化學(xué)氣相沉積（cvd）、熱解法等進(jìn)行制備。涂層制備周期長，工藝復(fù)雜，能耗大，影響了碳涂層在碳纖維復(fù)合材料中的應(yīng)用。隨著時(shí)代的發(fā)展，可再生資源，特別是生物質(zhì)能一直備受關(guān)注。糖作為一種廉價(jià)、無毒害的生物質(zhì)材料，可用于制備具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并均勻分布的碳材料。本發(fā)明是通過將糖轉(zhuǎn)化為碳并均勻包覆在cf表面，實(shí)現(xiàn)對cf表面的有效改性，并且能夠縮短工藝周期，降低工藝成本，對碳纖維復(fù)合材料的性能提升具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明技術(shù)方案的目的是提供一種在將糖轉(zhuǎn)化為碳，并將碳包覆于cf表面形成致密涂層的方案，解決了cf易氧化或損傷、與基體結(jié)合不合理的問題。本發(fā)明通過合理的組分和工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了碳涂層的可控制備，抑制了涂層制備過程中氣相產(chǎn)生對涂層質(zhì)量的影響，提高了涂層致密度，有利于抑制碳纖維在復(fù)合材料制備和使用過程中的損傷，提高復(fù)合材料性能。

2、本發(fā)明為一種均勻致密碳涂層的制備方法，制備過程包括以下步驟：

3、（1）將碳纖維浸泡入無水乙醇中，再真空烘干；所使用的碳纖維密度為0.25g/cm3;

4、（2）將糖、酰胺類化合物和無機(jī)鹽溶解在水中，原料中糖與酰胺類化合物的質(zhì)量比為40:1~1:10，糖與水的質(zhì)量比為1:1~1:50，糖與無機(jī)鹽的質(zhì)量比為10:1~50:1；

5、所述糖可以是葡萄糖、蔗糖、果糖、麥芽糖、乳糖等中的一種或多種。酰胺類化合物可以為n-乙烯基己內(nèi)酰胺、n-2,3-三甲基-2-異丙基丁酰胺、4-氯硫代苯甲酰胺n、n-二甲基草酰胺杜爾貝科改性培養(yǎng)基古氨酰胺、2,4-二羥基苯甲酰胺己內(nèi)酰胺鄰甲酸甲酯苯磺酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、2,3-二溴丙酰胺、3-氨基-n-甲基苯甲酰胺、n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺、2-丙烯酰胺、2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺、n-甲基己內(nèi)酰胺、5-氯-2,4-二磺酰胺基苯胺、n-叔丁基丙烯酰胺、n,n-二甲基磺酰胺、6-甲基煙酰胺磺酰胺、3-氨基-6-甲基苯磺酰胺、2-碘乙酰胺、n-甲基甲酰胺、n-甲基乙酰胺、n,n-二乙基-2-氯乙酰胺苯甲酰胺、4-甲氧基苯甲酰胺的一種或多種。所述無機(jī)鹽為氯化鋁、氯化鐵、氯化鈉、氯化鉀、硝酸鋁、硝酸鐵、硝酸鈰、硫酸鋁的一種或多種；

6、（3）將步驟（2）所得的溶液倒入反應(yīng)釜中，再將步驟（1）所得碳纖維浸漬在溶液中；

7、（4）將反應(yīng)釜擰緊，放入烘箱中熱處理，熱處理結(jié)束后將纖維取出；

8、（5）將步驟（4）所得纖維放入烘箱中真空烘干以去除水分；

9、（6）將步驟（5）所得纖維放入管式爐中，在保護(hù)氣氛下熱處理，最終得到帶有均勻致密碳涂層的碳纖維。

10、步驟（1）中乙醇浸泡時(shí)間0.1-24h，干燥溫度為0-100℃。

11、步驟（2）中恒溫?cái)嚢铚囟葹?-95℃，恒溫?cái)嚢杷俣葹?0-8000r/min。

12、步驟（4）中熱處理溫度為100-300℃，保溫時(shí)間0.1-24h。

13、步驟（5）中干燥溫度為20-100℃，干燥時(shí)間0.1-24h。

14、步驟（6）中熱處理氣氛為氬氣，升溫速率0.1-10℃/min，熱處理溫度300-1200℃，熱處理時(shí)間0.1-24h。

15、一種碳纖維表面均勻致密碳涂層是由所述的碳纖維表面均勻致密碳涂層的制備方法制得的，所述碳涂層為糖轉(zhuǎn)化為碳從而形成的涂層。

16、一種具有均勻碳涂層的碳纖維的應(yīng)用：可應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，制備高性能碳纖維復(fù)合材料。

17、本發(fā)明所制備的碳纖維表面的均勻致密碳涂層，通過簡單的水熱法實(shí)現(xiàn)在碳纖維上包覆由糖制備的碳涂層，由于碳層的保護(hù)作用，有望使碳纖維在碳纖維復(fù)合材料的制備和使用過程中，避免出現(xiàn)因氧化或界面反應(yīng)導(dǎo)致的損傷，避免碳纖維的損傷會(huì)降低碳纖維復(fù)合材料的性能。并且碳層是由無數(shù)個(gè)小碳球相互聚集在纖維表面形成的，這種獨(dú)特的顯微結(jié)構(gòu)能有效的增加碳與基體材料的結(jié)合力，顯著提升碳纖維復(fù)合材料性能。

18、在本發(fā)明中，糖碳轉(zhuǎn)化法本質(zhì)是糖的不斷脫水，即糖溶液-糖凝膠-焦糖-碳，生成焦糖的溫度在140℃以上，因此，想要制備均勻致密的碳涂層，需要控制脫水過程。本發(fā)明技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是通過水熱法將糖轉(zhuǎn)化為碳解決了現(xiàn)有糖碳轉(zhuǎn)化法中存在的碳涂層致密度低和不均勻等問題。傳統(tǒng)方法中，反應(yīng)容器通常是燒杯，加熱裝置通常是烘箱或水浴鍋，隨著溫度逐漸升高，固定在凝膠網(wǎng)絡(luò)中的水迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致凝膠發(fā)泡，最終生成疏松多孔結(jié)構(gòu)的碳，這種形貌的碳很難有效包裹在cf表面。而本技術(shù)采用反應(yīng)釜進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)釜中密閉高壓的環(huán)境使水分子不容易逸散，有利于生成致密均勻的焦糖并包裹在cf表面，最終纖維經(jīng)熱處理形成致密均勻的碳涂層。這個(gè)方案設(shè)備簡單，制備周期短，成本低廉，為cf表面碳涂層的高效制備引入嶄新的思路和方案。

技術(shù)特征：

1.一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法，其特征在于：步驟（2）中所述糖可以是葡萄糖、蔗糖、果糖、麥芽糖、乳糖等中的一種或多種；酰胺類化合物可以為n-乙烯基己內(nèi)酰胺、n-2,3-三甲基-2-異丙基丁酰胺、4-氯硫代苯甲酰胺n、n-二甲基草酰胺杜爾貝科改性培養(yǎng)基古氨酰胺、2,4-二羥基苯甲酰胺己內(nèi)酰胺鄰甲酸甲酯苯磺酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、2,3-二溴丙酰胺、3-氨基-n-甲基苯甲酰胺、n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺、2-丙烯酰胺、2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺、n-甲基己內(nèi)酰胺、5-氯-2,4-二磺酰胺基苯胺、n-叔丁基丙烯酰胺、n,n-二甲基磺酰胺、6-甲基煙酰胺磺酰胺、3-氨基-6-甲基苯磺酰胺、2-碘乙酰胺、n-甲基甲酰胺、n-甲基乙酰胺、n,n-二乙基-2-氯乙酰胺苯甲酰胺、4-甲氧基苯甲酰胺的一種或多種；所述無機(jī)鹽為氯化鋁、氯化鐵、氯化鈉、氯化鉀、硝酸鋁、硝酸鐵、硝酸鈰、硫酸鋁的一種或多種；將糖、酰胺類化合物和無機(jī)鹽溶解在水中，其恒溫?cái)嚢铚囟葹?-95?℃，攪拌速率為10-8000?r/min，攪拌時(shí)間為0.1-24?h；原料中糖與酰胺類化合物的質(zhì)量比為40:1~1:10，糖與水的質(zhì)量比為1:1~1:50，糖與無機(jī)鹽的質(zhì)量比為10:1~50:1。

3.如權(quán)利要求1所述的一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法，其特征在于：步驟（3）中高壓反應(yīng)容器可以在反應(yīng)過程中為反應(yīng)溶液提供大于1個(gè)大氣壓的高壓環(huán)境。

4.如權(quán)利要求1所述的一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法，其特征在于：步驟（1）中碳纖維在乙醇中浸泡時(shí)間為0.1-24?h，取出后進(jìn)行烘干溫度為0-100?℃。

5.如權(quán)利要求1所述的一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法，其特征在于：步驟（4）中烘箱的溫度為100-300?℃，保溫時(shí)間0.1-24?h。

6.如權(quán)利要求1所述的一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法，其特征在于：步驟（5）中干燥溫度為20-100?℃，干燥時(shí)間0.1-24?h。

7.如權(quán)利要求1所述的一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法，其特征在于：步驟（6）中熱處理氣氛為氬氣、氮?dú)狻⒑饣蚱浠旌蠚怏w，升溫速率0.1-10?℃/min，熱處理溫度300-1200?℃，熱處理時(shí)間0.1-24?h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種在碳纖維表面碳涂層制備技術(shù)，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明公開了一種在碳纖維表面制備均勻致密碳涂層的方法。本發(fā)明使用糖、酰胺類化合物和無機(jī)鹽為原料，利用水熱法在碳纖維表面制備了均勻致密的碳涂層，這個(gè)涂層能在復(fù)合材料制備和使用過程中保護(hù)碳纖維，并且改善碳纖維與基體材料的結(jié)合。該方案為碳纖維表面碳涂層的制備提供了一種高效、低成本的制備方案，而且該方法中涂層形貌、厚度等容易控制，能夠顯著降低傳統(tǒng)纖維表面碳涂層制備周期和成本。

技術(shù)研發(fā)人員：王鵬,方惠一,許進(jìn),魏春城,耿欣,李雙,盛宗浩,王雯霞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30