專利名稱：具有氮化鋁涂層的碳纖維及其制備方法
技術領域：
本發明涉及碳纖維或碳素制品表面涂復抗氧化增強涂層的領域。
碳纖維是一種常用的復合材料的增強材料，它具有高比強度、高比模量、低密度及良好的編織加工性能等優點。在中、低溫(T＜800℃)樹脂基復合材料中獲得比較廣泛的應用。但由于其在氧化氣氛中不能經受800～400℃以上的高溫，而且與某些基材浸潤性不好，難以形成性能更為優良的復合材料，因而阻礙了碳纖維在航空、航天及軍事等需要輕質、高強、耐溫材料中的應用。解決這一問題常用的途徑，是在碳纖維或碳素制品表面形成致密的保護性涂層。在現有技術中，所采用的涂復方法有化學氣相沉積法、電化學方法、溶液浸漬燒結法等。其中溶液浸漬燒結法，具有操作方便、易于放大生產的特點，如西德專利DE3700811在1988年報導了用聚硅氧烷溶液浸漬碳纖維后燒結在表面形成Si-C涂層，美國專利US4910178在1989年報導用聚硅烷和聚有機硼硅烷溶液浸漬后燒結的方法在碳素制品表面形成0.08～1mm厚的抗氧化保護性陶瓷涂層。上述方法形成的涂層厚度太大，因而不適用于成束碳纖維的單絲表面的涂復。氮化鋁是一種優良的特種陶瓷，具有耐腐蝕、耐高溫、電絕緣、導熱性能好等特點，在碳纖維表面形成氮化鋁涂層對改善碳纖維的性能意義極大。1987年B.Armas等人(見The 10th Proe.Int.Conf.C.V.D.(1987)，1060)報導了用三甲基鋁和氨反應，以C.V.D.方法，在電阻加熱的碳纖維表面沉積得到氮化鋁涂層，碳纖維直徑為100～150μm，涂層厚度為20～200μm，因其單絲直徑及涂層厚度太大，而不具有柔順性和可編織性，故限制了其應用范圍。這一技術的直接目的是應用于單根粗纖維(如光導纖維)的保護涂層。
為解決上述問題，本發明提供了一種具有氮化鋁涂層的碳纖維及其制備方法。本發明的具有氮化鋁涂層的碳纖維微絲直徑小于15μm，氮化鋁涂層厚度小于1μm，涂層平整光滑。
本發明是采用如下方式實現的用芳香烴(苯、甲苯、二甲苯)作溶劑溶解烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅體，將得到的體積濃度小于16%的烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅體的稀溶液在惰性氣氛中浸漬碳纖維，然后緩慢升溫(t≤5℃/min)，經蒸出溶劑、表面固化后，再升溫至1000℃，保持一定時間以上，使碳纖維表面形成氮化鋁陶瓷保護層。上述涂復過程中，碳纖維在表面固化后可以冷卻至一定溫度，再次用烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅體的稀溶液浸漬后再燒結，這個過程亦可多次重復進行，以使涂層致密，滿足使用要求。
現結合實施例詳細說明如下實例1碳纖維為蘭州碳素廠生產，直徑為5.5～6.5μm，每束碳纖維有1000根單絲，熱氧化溫度為510℃，單絲拉伸強度為2400MPa。經過濃度為8%的二乙基鋁胺先驅體的二甲苯溶液浸漬后的碳纖維束，以每分鐘5℃的速度升溫至150℃時恒溫20分鐘，再升至350℃時恒溫30分鐘，然后升至1000℃，恒溫10小時后冷卻，整個過程在氮氣保護下進行。所得到的具有氮化鋁涂層的碳纖維，逐根單絲表面具有平整光滑涂層，其厚度約為0.2μm。所獲得的涂層碳纖維熱氧化溫度為660℃，單絲拉伸強度為2800MPa。
實例2所用碳纖維同例1。經過濃度為5%的二乙基鋁胺先驅體的甲苯溶液浸漬后的碳纖維束，以每分鐘5℃的速度升溫至150℃時，恒溫20分鐘，再升至350℃時恒溫30分鐘后冷卻至100℃，再用二乙基鋁胺甲苯溶液浸漬一次后重復上述升溫過程，當升到1000℃時恒溫14個小時后冷卻，整個過程在氮氣保護下進行。所得到的具有氮化鋁涂層的碳纖維微絲，其涂層厚度約為0.8μm，熱氧化溫度為690℃，單絲拉伸強度為2900MPa。
實例3所用碳纖維同例1。經過濃度3%的聚乙基鋁胺先驅體的甲苯溶液浸漬后的碳纖維束，以每分鐘5℃的速度升溫至150℃時恒溫20分鐘，再升溫至350℃時恒溫30分鐘，然后升溫至1000℃時恒溫20個小時后冷卻，整個過程在氮氣保護下進行。所得到的具有氮化鋁涂層的碳纖維微絲，其涂層厚度約為0.4μm，熱氧化溫度為720℃，單絲拉伸強度為3000MPa。
本發明的具有氮化鋁涂層的碳纖維，其熱氧化溫度比無涂層的碳纖維提高150℃以上，拉伸強度提高20%以上，不僅保持了無涂層的碳纖維所具有的柔順性和可編織加工的特性，而且由于在碳纖維表面形成了氮化鋁涂層，還可以改變它與某些基材的浸潤性和相容性。本發明的在碳纖維及碳素制品表面涂復氮化鋁涂層的方法，簡便易行，可進行大規模工業化生產，特別適用于在成束碳纖維的各單絲表面的涂復。用該方法生產的具有氮化鋁涂層的碳纖維，其涂層厚度小于1μm，涂層平整光滑。
權利要求
1.一種具有氮化鋁涂層的碳纖維，其特征在于碳纖維單絲的直徑小于15μm，其氮化鋁涂層厚度小于1μm。
2.一種在碳纖維表面涂復氮化鋁涂層的方法，其特征在于用烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅體-芳香烴稀溶液浸漬碳纖維束，然后逐步升溫經過蒸出溶劑和表面固化后，再經高溫燒結，使碳纖維單絲表面形成氮化鋁涂層。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于經過先驅體-芳香烴溶液浸漬的碳纖維在表面固化后，可將碳纖維冷卻至一定溫度后再次用先驅體-芳香烴溶液浸漬，然后再升溫燒結，該過程可多次進行。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅體-芳香烴溶液的濃度小于16%(體積濃度)。
5.根據權利要求1所述的碳纖維，其特征在于用該碳纖維或其編織物與樹脂基、金屬基、陶瓷基等復合成的復合材料。
全文摘要
一種具有氮化鋁涂層的碳纖維及其制備方法。本發明涉及在碳纖維及碳素制品表面涂覆抗氧化增強涂層領域。本發明的碳纖維，其直徑小于15μm，涂層厚度小于1μm。本發明的制備方法是將經過烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅體——芳香烴的稀溶液(C
文檔編號D06M13/50GK1064324SQ9210684
公開日1992年9月9日 申請日期1992年3月9日 優先權日1992年3月9日
發明者廖白霞, 李銀奎, 陸逸 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學