催化cvd法制備碳纖維復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及催化CVD法制備碳纖維復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維增強(qiáng)碳基體復(fù)合材料，簡稱碳/碳(碳纖維)復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料是將高強(qiáng)度的碳纖維嵌入基體碳復(fù)合而成，而增強(qiáng)體與基體同為一種元素的特點(diǎn)，使得二者各自的性能得以保持。碳纖維復(fù)合材料比重輕，密度僅為陶瓷材料的1/2，鎳基合金的1/4 ；力學(xué)性能具有比強(qiáng)度高、比模量大、斷裂韌性好，特別是在高溫時(shí)，其強(qiáng)度不僅不下降反而隨著溫度上升而升高，這是其他材料無法比擬的獨(dú)有特征；碳纖維復(fù)合材料熱物理性能則具有熱膨脹系數(shù)低，耐燒蝕、熱震穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此，碳纖維復(fù)合材料具有廣闊的應(yīng)用前景，是21世紀(jì)最具競爭力的高溫結(jié)構(gòu)材料。近年來，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于石墨熱場材料的優(yōu)異性能不僅使其成為高溫?zé)釄鱿到y(tǒng)最炙手可熱的首選材料，而且從根本上解決了國內(nèi)高純等靜壓石墨依靠進(jìn)口的限制。碳纖維復(fù)合材料的致密化過程是影響其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵步驟，其工藝技術(shù)的優(yōu)劣直接影響到材料的應(yīng)用。
[0003]目前，化學(xué)氣相沉積法是制備碳纖維復(fù)合材料最常用的工藝技術(shù)，但該方法存在制備周期長，成本高、原料利用率低等缺陷，直接制約著碳纖維復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展。因此，如何高效快速地制備碳纖維復(fù)合材料成為該領(lǐng)域?qū)W者的主攻方向之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種催化CVD制備碳纖維復(fù)合材料的方法，解決傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法制備周期長，成本高、原料利用率低的問題。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，催化CVD制備碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，具體步驟如下:
[0006]步驟1、在真空條件下，將碳纖維放入2100°C?2300°C環(huán)境中鍛燒1.5h?2.5h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50°C?70°C浸泡30min?90min,接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用；
[0007]步驟2、取8mL?1mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水80mL?10mL,再加入20mL?40mL無水乙醇,攪拌使其混合均勻；
[0008]步驟3、將步驟2制得的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將步驟I所得的碳纖維預(yù)制體放入爸中浸潰1h?15h ；
[0009]步驟4、將步驟3中的反應(yīng)釜浸入110°C?130°C的油浴中反應(yīng)2h?3h ;
[0010]步驟5、用冷水對步驟4中的反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干；
[0011]步驟6、將步驟5所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體；
[0012]步驟7、將步驟6所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為:溫度1200°C?1300°C，管道天然氣氣體流量范圍為4L?6L，氣氛壓力控制約為IKPa?2KPa，沉積時(shí)間為40h?60h ；
[0013]步驟8、將步驟7所得沉積增密后的樣品在2100°C?2300°C溫度下高溫石墨化處理2h?3h，自然冷卻后即得成品。
[0014]步驟2中，復(fù)合催化劑中N1、La、Al的摩爾比為:Ni:La:A1 = 15:2:3。
[0015]步驟6中，煅燒溫度為450°C，時(shí)間為3h ;還原溫度為500°C，時(shí)間為lh。
[0016]本發(fā)明催化CVD制備碳纖維復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0017]催化CVD法是以等溫CVD為基礎(chǔ)而衍生出的改進(jìn)工藝方法。該方法不僅保留了傳統(tǒng)等溫CVD —爐多件的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效地提高了熱解碳的沉積速率，是一種極具工業(yè)化前景的碳纖維復(fù)合材料制備技術(shù)。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明催化CVD制備碳纖維復(fù)合材料的制備工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020]實(shí)施例1
[0021]步驟1、在真空條件下，將碳纖維放入2100°C環(huán)境中鍛燒2.5h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在70°C浸泡30min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用；
[0022]步驟2、取8mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水80mL，再加入40mL無水乙醇，攪拌使其混合均勻；
[0023]步驟3、將步驟2制得的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將步驟I所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸潰1h ；
[0024]步驟4、將步驟3中的反應(yīng)釜浸入110°C的油浴中反應(yīng)3h ；
[0025]步驟5、用冷水對步驟4中的反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干；
[0026]步驟6、將步驟5所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體；
[0027]步驟7、將步驟6所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為:溫度1200°C，管道天然氣氣體流量范圍為6L，氣氛壓力控制約為lKPa，沉積時(shí)間為60h ；
[0028]步驟8、將步驟7所得沉積增密后的樣品在2100°C溫度下高溫石墨化處理3h，自然冷卻后即得成品。
[0029]實(shí)施例2
[0030]步驟1、在真空條件下，將碳纖維放入2300°C環(huán)境中鍛燒1.5h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50°C浸泡90min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用；
[0031]步驟2、取1mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水lOOmL，再加入20mL無水乙醇，攪拌使其混合均勻；
[0032]步驟3、將步驟2制得的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將步驟I所得的碳纖維預(yù)制體放入爸中浸潰15h ；
[0033]步驟4、將步驟3中的反應(yīng)釜浸入130°C的油浴中反應(yīng)2h ；
[0034]步驟5、用冷水對步驟4中的反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干；
[0035]步驟6、將步驟5所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體；
[0036]步驟7、將步驟6所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為:溫度1300°C，管道天然氣氣體流量范圍為4L，氣氛壓力控制約為2KPa，沉積時(shí)間為40h ；
[0037]步驟8、將步驟7所得沉積增密后的樣品在2300°C溫度下高溫石墨化處理2h，自然冷卻后即得成品。
[0038]實(shí)施例3
[0039]步驟1、在真空條件下，將碳纖維放入2200°C環(huán)境中鍛燒2h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在60°C浸泡30min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用；
[0040]步驟2、取1mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水10mL,再加入40mL無水乙醇，攪拌使其混合均勻；
[0041]步驟3、將步驟2制得的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將步驟I所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸潰12h ；
[0042]步驟4、將步驟3中的反應(yīng)釜浸入120°C的油浴中反應(yīng)2h ；
[0043]步驟5、用冷水對步驟4中的反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干；
[0044]步驟6、將步驟5所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體；
[0045]步驟7、將步驟6所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為:溫度1250°C，管道天然氣氣體流量范圍為5L，氣氛壓力控制約為1.5KPa，沉積時(shí)間為50h ；
[0046]步驟8、將步驟7所得沉積增密后的樣品在2200°C溫度下高溫石墨化處理2h，自然冷卻后即得成品。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.催化CVD制備碳纖維復(fù)合材料，其特征在于，具體步驟如下: 步驟1、在真空條件下，將碳纖維放入210(TC?2300°C環(huán)境中鍛燒1.5h?2.5h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50°C?70°C浸泡30min?90min,接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用； 步驟2、取8mL?1mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水80mL?10mL,再加入2OmL?40mL無水乙醇,攪拌使其混合均勻； 步驟3、將步驟2制得的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將步驟I所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸潰1h?15h ； 步驟4、將步驟3中的反應(yīng)釜浸入110°C?130°C的油浴中反應(yīng)2h?3h ; 步驟5、用冷水對步驟4中的反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干； 步驟6、將步驟5所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體； 步驟7、將步驟6所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為??溫度1200°C?1300°C，管道天然氣氣體流量范圍為4L?6L，氣氛壓力控制約為IKPa?2KPa，沉積時(shí)間為40h?60h ； 步驟8、將步驟7所得沉積增密后的樣品在2100°C?2300°C溫度下高溫石墨化處理2h?3h,自然冷卻后即得成品。2.按照權(quán)利要求1所述催化CVD制備碳纖維復(fù)合材料的方法，其特征在于，步驟2中，所述復(fù)合催化劑中N1、La、Al的摩爾比為:Ni:La:A1 = 15:2:3。3.按照權(quán)利要求1所述催化CVD制備碳纖維復(fù)合材料的方法，其特征在于，步驟6中，煅燒溫度為450°C，時(shí)間3h ;還原溫度為500°C，時(shí)間lh。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種催化CVD制備碳纖維復(fù)合材料的方法，具體步驟為：先將碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，對碳纖維表面加載催化劑，隨后在真空碳管爐中進(jìn)行中鍛燒、還原以及沉積增密，最后經(jīng)高溫石墨化處理，冷卻后即制得；本發(fā)明不僅保留了傳統(tǒng)等溫CVD一爐多件的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效地提高了熱解碳的沉積速率，是一種極具工業(yè)化前景的碳纖維復(fù)合材料制備技術(shù)。本發(fā)明的制備方法，步驟簡單，容易實(shí)現(xiàn)。
【IPC分類】C04B35/83
【公開號】CN105565836
【申請?zhí)枴緾N201410534929
【發(fā)明人】齊海港
【申請人】西安艾菲爾德復(fù)合材料科技有限公司
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年10月11日