專利名稱：一種碳化硅納米纖維/炭纖維復(fù)合氈體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氈體的制備方法，特別是涉及一種碳化硅納米纖 維/炭纖維復(fù)合氈體的制備方法。
技術(shù)背景炭纖維具有極高的比強(qiáng)度和比模量，優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、耐腐 蝕性以及在還原性氣氛中良好的耐高溫性能，被廣泛用作復(fù)合材料的增強(qiáng)(增韌)相。但是，傳統(tǒng)的C/C或C/SiC復(fù)合材料中，氈體中炭 纖維無論采用3D或4D編織，其強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等力學(xué)或物 理性能，都存在很大的各向異性。碳化硅納米纖維(SiC-NF)具有優(yōu) 越的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性能和高的物理化學(xué)穩(wěn)定性等特性，同樣可以 作為塑料、金屬、陶瓷等復(fù)合材料的增強(qiáng)相。WongEW等已經(jīng)通過原 子力顯微鏡證實(shí)了碳化硅納米棒具有很高的楊氏模量；Yang等采用化 學(xué)氣相滲透(CVI)法制備SiC纖維原位增強(qiáng)的陶瓷復(fù)合材料，取得 了很好的增強(qiáng)效果。過渡族元素是制備納米碳管(CNT)和納米炭纖維(CNF)時(shí)常用 的催化劑，在不同條件下可以制備出不同的CNT和CNF。利用制備CNT 和CNF類似的技術(shù)，也可以制備出SiC-NF或納米晶須。Dikonimos M T 和Riccardis M F D曾以炭纖維為基體制備了 CNT或CNF，并將其應(yīng) 用于傳統(tǒng)的炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種碳化硅納米纖維/炭纖維 復(fù)合氈體的制備方法，采用該方法編織的復(fù)合氈體能夠在炭纖維表面 原位生成SiC-NF，利用炭纖維的良好力學(xué)和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的同時(shí)，充 分發(fā)揮各向原位生長納米碳化硅纖維的力學(xué)和物理特性，并以此作為 傳統(tǒng)C/C或C/SiC復(fù)合材料的增強(qiáng)體，改善復(fù)合材料的各向異性，提 高使用性能。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的碳化硅納米纖維/炭纖維 復(fù)合氈體的制備方法，將針刺整體炭氈進(jìn)行纖維表面去膠處理或不去 膠后，用硫酸鎳溶液或硫酸鈷溶液為電鍍液，pH值為3 5，在電流 強(qiáng)度為80 120mA，電鍍5 10分鐘，或以濃度為15 25g/L的SnCL 和濃度為30 40ml/L的鹽酸混合液為敏化劑，于室溫敏化2 4分鐘， 反復(fù)去離子水浸泡清洗后于濃度為0.4 0.6g/L的PdCl2和濃度為8 12ml/L的鹽酸混合液中活化4 6分鐘，反復(fù)去離子水浸泡清洗后 在濃度為16 18g/L的NiS04或濃度為8 12g/L的C0SO4、濃度為 23 26g/L的NaH2P02、濃度為20 25g/L的NaC2H:,02、濃度為20 25g/L 的化3"^07和濃度為6 8mg/L的PdNOr混合液中，控制溫度為80-85 °C， pH值為3 4時(shí)化學(xué)鍍2 4分鐘，將鎳或鈷以細(xì)顆粒狀方式吸附 在炭氈纖維的表面上，在100 12(TC的溫度下干燥2 6小時(shí)后，在 化學(xué)氣相沉積爐中沉積碳化硅，控制沉積氣源三氯甲基硅烷，載氣氫 氣和稀釋氬氣的流量比為1: 2 4: 3 5，在沉積溫度為1073 1373K， 保持爐壓為20 500Pa，沉積時(shí)間為1 15小時(shí)，隨爐冷卻后出爐， 得到炭氈纖維表面生長出納米碳化硅纖維的復(fù)合氈體。在此過程中，電鍍或化學(xué)鍍的過度族元素的金屬顆粒作為碳化硅 納米纖維氣相生長的催化劑，因?yàn)楣?、碳原子在催化劑顆粒的(111) 面結(jié)合能力最強(qiáng)，在其它晶面(311)、 (100)和(110)等的結(jié)合能 力相差不大，在化學(xué)氣相沉積過程中，硅、碳原子先在不同的晶面卜. 吸附，并向鎳晶體表面或內(nèi)部擴(kuò)散，達(dá)到飽和后在結(jié)合能力較弱的表 面析出，因此納米SiC纖維沿一定方向連續(xù)生長。另外，可以控制鍍 液成分和濃度，或電鍍或化學(xué)鍍的時(shí)間，達(dá)到控制催化劑顆粒的形態(tài) 和分布催化劑顆粒的形態(tài)，來控制納米纖維的長度和直徑。催化劑晶 體顆粒越細(xì)小，在化學(xué)氣相沉積氣氛中越容易形成顯著的晶面，越能 夠發(fā)揮催化SiC納米纖維生長效果(即其催化活性越大)，所得到的納 米纖維越細(xì)長，分布也更均勻。三氯甲基硅烷(MTS)熱分解可以得 到氣相生長的碳化硅氣源。通過控制氣相沉積條件，控制炭氈表面氣 相生長的納米碳化硅纖維的相對(duì)量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過原位氣相生長的方法，將兩種超強(qiáng)材料復(fù)合，制備出一種復(fù) 合氈體；通過原位各向氣相生長納米碳化硅纖維，發(fā)揮的納米碳化硅纖維 的力學(xué)和物理特性，改善炭氈的各向異性；本發(fā)明利用電鍍或化學(xué)鍍的方法，將催化劑顆粒吸附在炭纖維表 面，通過控制鍍液成分和濃度，或電鍍或化學(xué)鍍的時(shí)間，達(dá)到控制催 化劑顆粒的形態(tài)和分布，易于控制，設(shè)備簡單，操作方便；通過控制氣相沉積條件，控制炭氈表面氣相生長的納米碳化硅纖 維的相對(duì)量，可以根據(jù)不同的要求，制備出0 30%納米碳化硅纖維 含量的復(fù)合氈體。綜上所述，采用該方法編織的復(fù)合氈體能夠在炭纖維表面原位生 成SiC-NF，利用炭纖維的良好力學(xué)和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的同時(shí)，充分發(fā)揮 各向原位生長納米碳化硅纖維的力學(xué)和物理特性，并以此作為傳統(tǒng)C/C或C/SiC復(fù)合材料的增強(qiáng)體，改善復(fù)合材料的各向異性，提高使用性能。


圖1:炭氈CVD SiC后的SEM形貌； 圖2:氈體CVD碳化硅2h后的粉末XRD圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1:將針刺整體炭氈用丙酮浸泡24小時(shí)，反復(fù)用去離子水浸泡清洗， 干燥后，以此試樣為陰極，硫酸鎳溶液為電鍍液(濃度為200g/L)， pH值為5，在電流強(qiáng)度為80mA時(shí)，電鍍5分鐘，去離子水浸泡、清 洗、在IO(TC的溫度下干燥6小時(shí)后，在化學(xué)氣相沉積爐中沉積碳化 硅，控制沉積氣源三氯甲基硅垸(MTS)，載氣氫氣(H2)和稀釋氬氣 (Ar)的流量比為1: 3: 4左右，沉積溫度為1273K,爐壓為30Pa， 沉積時(shí)間為2小時(shí)，隨爐冷卻后出爐。取電鍍鎳和化學(xué)氣相沉積后的 針刺整體炭氈進(jìn)行SEM微觀形貌觀察，加速電壓為30KV，復(fù)合氈體的 顯微相貌見圖1。取CVD生長納米碳化硅纖維的復(fù)合氈體，進(jìn)行粉末 XRD分析，復(fù)合氈體的物相見圖2。 實(shí)施例2:將針刺整體炭氈用丙酮浸泡24小時(shí)，反復(fù)用去離子水浸泡清洗， 干燥后，以此試樣為陰極，硫酸鈷溶液(濃度為160g/L)為電鍍液， pH值為3，在電流強(qiáng)度為120mA時(shí)，電鍍10分鐘，去離子水浸泡、 清洗、在12(TC的溫度下干燥2小時(shí)后，在化學(xué)氣相沉積爐中沉積碳 化硅，控制沉積氣源三氯甲基硅烷(MTS)，載氣氫氣(H2)和稀釋氬 氣(Ar)的流量比為1: 2: 3左右，沉積溫度為1373K,爐壓為20Pa， 沉積時(shí)間為l小時(shí)，隨爐冷卻后出爐。實(shí)施例3:將針刺整體炭氈反復(fù)用去離子水浸泡清洗(即不去膠)，干燥后， 以SnCl2 ( 15g/L)和鹽酸(30ml/L)混合液為敏化劑，于室溫敏化2 分鐘，反復(fù)去離子水浸泡清洗后于PdCl2 (0. 4g/L)和鹽酸(8ml/L) 混合液中活化6分鐘，反復(fù)去離子水浸泡清洗后在CoS0J8 12g/L)、 NaH2P02 ( 23g/U、 NaC2H302 ( 20g/U 、 Na3C6H507 ( 25g幾)禾口 PdNO" 6mg/L) 混合液中，控制溫度為8(TC， pH值為4時(shí)化學(xué)鍍2分鐘，去離子水 浸泡、清洗，在ll(TC的溫度下干燥4小時(shí)后，在化學(xué)氣相沉積爐中 沉積碳化硅，控制沉積氣源三氯甲基硅烷(MTS)，載氣氫氣(H》和 稀釋氬氣(Ar)的流量比為1:2:4，沉積溫度為1273K，爐壓為300Pa， 沉積時(shí)間為10小時(shí)，隨爐冷卻后出爐。實(shí)施例4:將針刺整體炭氈用丙酮浸泡24小時(shí)，反復(fù)用去離子水浸泡清洗，干燥后，以SnCl2 (25g/L)和鹽酸(40ml/L)混合液為敏化劑，于室 溫敏化4分鐘，反復(fù)去離子水浸泡清洗后于PdCl2 (0. 6g/L)和鹽酸 (12ml/L)混合液中活化4分鐘，反復(fù)去離子水浸泡清洗后在NiS04 (17.5g/L)、 NaH2P02 ( 26g/L)、 NaC2H:i02 ( 25g/L)、 Na:d07 ( 20g/L) 和PdN0:, (8mg/L)混合液中，控制溫度為85°C， pH值為3時(shí)化學(xué)鍍 2分鐘，去離子水浸泡、清洗，在105'C的溫度下干燥5小時(shí)后，在 化學(xué)氣相沉積爐中沉積碳化硅，控制沉積氣源三氯甲基硅垸(MTS)， 載氣氫氣(H2)和稀釋氬氣(Ar)的流量比為1: 4: 5，沉積溫度為 1073K,爐壓為500Pa，沉積時(shí)間為15小時(shí)，隨爐冷卻后出爐。
權(quán)利要求
1、一種碳化硅納米纖維/炭纖維復(fù)合氈體的制備方法，其特征是將針刺整體炭氈進(jìn)行纖維表面去膠處理或不去膠后，用硫酸鎳溶液或硫酸鈷溶液為電鍍液，pH值為3～5，在電流強(qiáng)度為80～120mA，電鍍5～10分鐘，或以濃度為15～25g/L的SnCl2和濃度為30～40ml/L的鹽酸混合液為敏化劑，于室溫敏化2～4分鐘，反復(fù)去離子水浸泡清洗后于濃度為0.4～0.6g/L的PdCl2和濃度為8～12ml/L的鹽酸混合液中活化4～6分鐘，反復(fù)去離子水浸泡清洗后在濃度為16～18g/L的NiSO4或濃度為8～12g/L的CoSO4、濃度為23～26g/L的NaH2PO2、濃度為20～25g/L的NaC2H3O2、濃度為20～25g/L的Na3C6H5O7和濃度為6～8mg/L的PdNO3混合液中，控制溫度為80-85℃，pH值為3～4時(shí)化學(xué)鍍2～4分鐘，將鎳或鈷以細(xì)顆粒狀方式吸附在炭氈纖維的表面上，在100～120的溫度下干燥2～6小時(shí)后，在化學(xué)氣相沉積爐中沉積碳化硅，控制沉積氣源三氯甲基硅烷，載氣氫氣和稀釋氬氣的流量比為1∶2～4∶3～5，在沉積溫度為1073～1373K，保持爐壓為20～500Pa，沉積時(shí)間為1～15小時(shí)，隨爐冷卻后出爐，得到炭氈纖維表面生長出納米碳化硅纖維的復(fù)合氈體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅納米纖維/炭纖維復(fù)合氈體的制備方法，將針刺整體炭氈進(jìn)行去膠處理或不去膠，再將過渡族鈷或鎳中的一種以細(xì)顆粒狀方式，采用電鍍或化學(xué)鍍的方法吸附在炭氈纖維的表面上，干燥后在化學(xué)氣相沉積爐中沉積碳化硅，控制沉積氣源三氯甲基硅烷，載氣氫氣和稀釋氬氣的流量，在沉積溫度為1073～1373K，保持爐壓為20～500Pa，沉積時(shí)間為1～15小時(shí)，隨爐冷卻后出爐，得到炭氈纖維表面生長出納米碳化硅纖維的復(fù)合氈體。采用該方法編織的復(fù)合氈體，充分發(fā)揮各向原位生長納米碳化硅纖維的力學(xué)和物理特性，并以此作為傳統(tǒng)C/C或C/SiC復(fù)合材料的增強(qiáng)體，改善復(fù)合材料的各向異性，提高使用性能。
文檔編號(hào)C25D3/12GK101250728SQ20081003085
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者徐先鋒, 翔 熊, 鵬 肖, 林 許, 黃伯云 申請(qǐng)人:中南大學(xué);華東交通大學(xué)