一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法

2023-10-04 01:55:24 1

專利名稱：一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法
技術領域：
本發明一種連續在碳纖維 表面進行碳化矽塗層的方法涉及一種碳纖維表面塗層技術，具體地說涉及一種採用電泳的方法在碳纖維表面進行碳化矽塗層技術。
背景技術：
碳纖維具有質量輕、模量高、強度大、耐疲勞性和抗酸鹼等優點，例如碳纖維的比重是鋼鐵的1/4，但強度卻是鋼鐵的7-8倍；碳纖維的耐酸鹼和抗疲勞性能也明顯優於鋼鐵。因此，碳纖維增強複合材料在航空航天、工程機械和體育器材等高科技領域有重要的應用。另外碳纖維的導電性能介於金屬和非金屬之間，是一種重要的高溫結構吸波材料，國外已應用在一些先進的隱形戰機上，如美國的B-2轟炸機，其機翼結構材料主要是由碳纖維複合材料構成的。碳纖維材料優異的理化性能，特別是其製品的結構和尺寸穩定性，使得碳纖維製品成為太空梭、火箭和飛彈錐頭和噴管等首選材料。然而，碳纖維材料在使用過程中，特別是在有氧氣環境中存在易燒蝕的問題。如何解決碳纖維的抗氧化性能差的問題，成為材料界的一個難點問題。碳化矽具有強度高、導熱性好、化學性質穩定和抗氧化性能好等優點。碳化矽和碳纖維界面間能夠形成穩定的化學鍵，可有效防止塗層的脫落；而且在高溫氧化環境下，碳化矽塗層氧化形成的緻密氧化矽保護膜，可阻止複合材料的進一步氧化。另一方面，在碳纖維表面塗覆一層碳化矽後，還能解決碳纖維與鋁、鈦等金屬在複合過程中存在的界面活性高、 易發生化學反應，導致力學性能降低等問題。因此，在碳纖維表面塗覆一層碳化矽材料，不僅能提高碳纖維材料的抗氧化性能，而且還能解決碳纖維與金屬界面間的化學問題，提高碳纖維增強材料的力學性能，拓寬碳纖維材料的應用領域。表面塗覆碳化矽的碳纖維材料，具有碳纖維材料原有的質量輕、模量高、強度大、 耐疲勞性和抗酸鹼等優點，同時還解決了碳纖維抗氧化性差和在與金屬複合過程中存在的界面活性過高等問題。因此是一種性能比碳纖維更優異，用途更廣泛的先進材料，在航空航天等高科技領域有更廣泛的應用價值。在碳纖維表面塗覆一層碳化矽形成碳芯碳化矽纖維，已成為材料界的一個研究熱點。相關技術國內外也有文獻報導。中國專利02121071. 3公布了一種在碳纖維表面塗覆碳化矽表層的方法和專用裝置。該技術採用射頻聚焦式加熱裝置將碳纖維加熱到1100-130(TC，並在石英管或反應器中形成一氯矽烷和高純氬氣的反應環境，使氯矽烷裂解形成氯化氫的同時，將碳化矽氣相沉積在碳纖維表面，形成碳化矽塗層。中國專利200610151216. 3公布了一種在碳纖維表面製備碳化矽塗層的方法。該技術是將純度為99. 99%的矽粉和純度為99. 9%的碳粉按1 1 的摩爾比混合後裝入真空球磨罐中，球料質量比為2(Γ35:1，然後將球磨罐抽真空後重入 0. 0廣0. 2個大氣壓的純度為99. 9999%的氬氣，將球磨罐置於高能球磨機上以430飛10轉/ 分的速度球磨1(Γ24小時，用29Γ5%的鹽酸對球磨後的粉體進行酸性，酸洗後用蒸餾水洗， 在6(T80°C烘乾5 10小時，得到混合乾粉，再取含量為39TlO%的異辛酸鈰或異辛酸釔溶液 8(Γ120毫升，與4飛克混合物乾粉混合，並加入分析純乙醇或汽油調成質量濃度為5 15%的漿料；再講碳纖維放入漿料中浸漬5 15分並同時對漿料進行超聲波振蕩，將浸漬後的碳纖維放入烘箱中以6(TlO(rC的溫度烘乾2、小時，最後將乾燥後的碳纖維放入真空爐中，抽空到10-2Pa後通入純度為99. 9999%的氬氣並在120(Tl600°C的條件下燒結0. 5 2小時，得到表面具有碳化矽塗層的碳纖維。採用電化學方法在碳/碳複合材料表面沉積碳化矽的方法，也有專利報導。如中國專利200810231996公告了一種碳/碳複合材料納米碳化矽外塗層方法。該方法首先將 0. 5-1克納米碳化矽放入錐形瓶中，加入100-300ml異丙醇製成懸浮液，放入200-300瓦超聲處理器中超聲處理30-60分鐘，並用磁力攪拌器上攪拌12-24小時後，加入0. 04-0. 4克碘單質，再用超聲處理30-60分鐘，磁力攪拌器上攪拌12-24小時，得到碳化矽懸浮液。然後將懸浮液放入水熱反應釜中，將碳/碳複合材料樣品夾到水熱反應釜中的陰極上，放入烘箱中，接通電源。在80-300°C下，電壓在120-230V範圍內，電泳處理5_60分鐘，最後將電泳處理過的樣品在烘箱中80-100°C烘烤1-2小時，即可將碳化矽塗覆到碳/碳複合材料的外表面上。採用化學氣相沉積法製備表面具有碳化矽塗層的碳纖維，反應設備昂貴，而且在反應過程中產生對環境有害氣體如氯化氫等；而採用表面塗漿燒結形成碳化矽塗層的方法，過程繁瑣，塗層均勻性差。專利200810231996. 1描述的電泳法，設備簡單，操作費用低， 但該方法只能用於成型後的塊狀碳材料表面塗覆碳化矽，且難以對長纖維進行連續化處
理。

發明內容
本發明克服現有技術的不足，所要解決的技術問題為提供一種能夠在碳纖維表面連續塗覆碳化矽塗層，且設備簡單，操作方便、快捷的方法。為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為按照以下步驟進行 第一步配製碳化矽電泳液；
先將納米碳化矽或者表面改性後的納米碳化矽粉末分散在水或者有機溶劑中，超聲或者攪拌混勻，得到納米碳化矽混合液；納米碳化矽或者表面改性後的納米碳化矽粉末佔水或者有機溶劑的重量百分比為0. 1%-5% ；
然後向納米碳化矽混合液中加入電荷助劑，再超聲或攪拌處理混勻，得到碳化矽電泳液；納米碳化矽混合液與電荷助劑重量份之比為100:0. 1-5 ；
第二步在電泳池中水平固定一根石墨管，在電泳池上方設置放線輪和收線輪，將碳纖維從放線輪沿著第一導入輪和第二導入輪進入石墨管的一端，從石墨管另一端穿出，而後經過第一導出輪和第二導出輪，將碳纖維前端固定在收線輪上；
第三步將碳化矽電泳液加入到電泳池中，將電源的一端接到石墨管上，另一端接到碳纖維上，使石墨管和碳纖維分別構成正負兩個電極；接通電源後，開動牽引馬達，使碳纖維勻速通過石墨管進行碳化矽電泳沉積；
第四步將碳纖維通過鼓風乾燥，鼓風乾燥溫度50-300°C，即得到成品碳纖維。納米碳化矽或為納米顆粒，或為納米晶須，或為納米線，納米碳化矽表面改性是通過強酸刻蝕在其表面形成極性基團。有機溶劑或為乙醇，或為異丙醇，或為丁醇，或為丙酮，或為丁酮；電荷助劑或為有機胺，或為單質碘，或為金屬鹽。石墨管的內徑為2-10釐米。方法第三步中碳化矽電泳液加入電泳池後，對其進行攪拌；碳化矽電泳液液面位於石墨管上方2-10釐米。電源電壓為50-380V ；碳纖維在石墨管中勻速移動，其速度為0. 001-0.lm/s。方法第四步中將成品碳纖維在400-1300°C高溫氬氣環境下處理0. 5-2小時。本發明與現有技術相比具有以下有益效果。1、本發明能夠在碳纖維表面連續塗覆碳化矽塗層，操作簡便，快捷，成本低廉，並且製備的碳化矽塗層碳纖維具有表面光潔、塗層均勻、塗層和基底界面間結合力好且不易脫落的特點。2、在本發明中，發明了一種特殊的電泳裝置，該裝置陽極為管狀石墨，陰極為碳纖維，碳纖維通過電源與電源相連，碳纖維位於陽極石墨管中央。碳纖維在動力牽引下可連續移動。該設備帶有自動傳遞裝置和電壓調節系統，能夠根據需要，自動調節碳纖維在石墨管中央的移動速度和電極間的電壓，因而能夠實現碳纖維連續化電泳塗層。


圖1為本發明實施例1所用電泳裝置的結構示意圖。
具體實施例方式實施例1
結合附圖電泳裝置的結構示意圖對具體實施例進行進一步的說明。取50克碳納米化矽顆粒，加入到1000克水中，超聲處理0. 5小時後，加入1. 05克乙二胺，攪拌2小時，得到碳化矽電泳液；在電泳池1中水平固定一根內徑為2釐米，外徑為 5釐米，長度為30釐米的石墨管2，將碳纖維從設置在電泳池1上方的放線輪5經過第一導入輪4和第二導入輪3改向，使碳纖維從石墨管2 —端進入，從石墨管2的另一端穿出，然後經過第一導出輪6和第二導出輪7改向，將碳纖維前端固定在收線輪8上；再將碳化矽電泳液倒入電泳池1中，使液面位於石墨管2上方7釐米，同時電泳池1中放入攪拌裝置，然後將電壓為50V的電源的正極接石墨管2，負極接碳纖維，將石墨管2作為陽極，碳纖維作為陰極；打開攪拌裝置混勻碳化矽電泳液，接通電源，開動牽引馬達，使碳纖維在石墨管2中央以0. 00lm/s的速度，勻速進行碳化矽電泳沉積。最後在60°C鼓風乾燥後，即可得到成品碳纖維。以下實施例2-7所用電泳裝置均與實施例1相同。實施例2
取3克碳化矽納米線，加入到3000克異丙醇中，超聲處理0. 5小時後，加入4克正丁胺，超聲2小時，得到碳化矽電泳液；在電泳池1中水平固定一根內徑為6釐米，外徑為10 釐米，長度為60釐米的石墨管2，然後將碳纖維安裝在電泳裝置上(方法同實施例1)；再將碳化矽電泳液倒入電泳池1中，使液面位於石墨管2上方2釐米，同時電泳池1中放入攪拌裝置，然後將電壓為100V的電源的正極接石墨管2，負極接碳纖維，將石墨管2作為陽極，碳纖維作為陰極；打開攪拌裝置混勻碳化矽電泳液，接通電源，開動牽引馬達，使碳纖維在石墨管2中央以0. 003m/s的速度，勻速進行碳化矽電泳沉積。最後在100°C鼓風乾燥後，即可得到成品碳纖維，再在氬氣氣氛下800°C處理1. 2小時，得到表面光潔、結合力更好的成品碳纖維。實施例3
取100克經過強酸處理過的碳化矽納米顆粒，加入到2000克丁醇中，超聲處理1小時後，加入105克單質碘，攪拌0. 5小時，得到碳化矽電泳液；在電泳池1中水平固定一根內徑為4釐米，外徑為8釐米，長度為60釐米的石墨管2，然後將碳纖維安裝在電泳裝置上(方法同實施例1);再將碳化矽電泳液倒入電泳池1中，使液面位於石墨管2上方5釐米，同時電泳池1中放入攪拌裝置，然後將電壓為150V的電源的正極接石墨管2，負極接碳纖維，將石墨管2作為陽極，碳纖維作為陰極；打開攪拌裝置混勻碳化矽電泳液，接通電源，開動牽引馬達，使碳纖維在石墨管2中央以0. Olm/s的速度，勻速進行碳化矽電泳沉積。最後在200°C 鼓風乾燥後，得到成品碳纖維，再在氬氣氣氛下40(TC處理2小時，得到表面光潔、結合力更好的成品碳纖維。實施例4
取250克碳化矽納米晶須，加入到10000克丙酮中，超聲處理1. 5小時後，加入30克氯化鈉，攪拌1. 5小時，形成碳化矽電泳液；在電泳池1中水平固定一根內徑為10釐米，外徑為12釐米，長度為50釐米的石墨管2，然後將碳纖維安裝在電泳裝置上(方法同實施例1); 再將碳化矽電泳液倒入電泳池1中，使液面位於石墨管2上方6釐米，同時電泳池1中放入攪拌裝置，然後將電壓為200V的電源的正極接石墨管2，負極接碳纖維，將石墨管2作為陽極，碳纖維作為陰極；打開攪拌裝置混勻碳化矽電泳液，接通電源，開動牽引馬達，使碳纖維在石墨管2中央以0. 05m/s的速度，勻速進行碳化矽電泳沉積。最後在200°C鼓風乾燥後， 得到成品碳纖維，再在氬氣氣氛下1300°C處理0. 5小時，得到表面光潔、結合力更好的成品碳纖維。實施例5
取5克碳化矽納米顆粒，加入到1000克丁酮中，超聲處理0. 5小時後，加入5克正己胺，超聲1小時，形成碳化矽電泳液；在電泳池1中水平固定一根內徑為5釐米，外徑為10 釐米，長度為20釐米的石墨管2，然後將碳纖維安裝在電泳裝置上(方法同實施例1)；再將碳化矽電泳液倒入電泳池1中，使液面位於石墨管2上方8釐米，同時電泳池1中放入攪拌裝置，然後將電壓為220V的電源的正極接石墨管2，負極接碳纖維，將石墨管2作為陽極，碳纖維作為陰極；打開攪拌裝置混勻碳化矽電泳液，接通電源，開動牽引馬達，使碳纖維在石墨管2中央以0. lm/s的速度，勻速進行碳化矽電泳沉積。最後在300°C鼓風乾燥後，即可得到成品碳纖維。實施例6
取15克表面改性的碳化矽納米顆粒，加入到1000克水中，超聲處理2小時後，加入3 克氯化鈣，超聲0. 5小時，形成碳化矽電泳液；在電泳池1中水平固定一根內徑為5釐米， 外徑為8釐米，長度為10釐米的石墨管2，然後將碳纖維安裝在電泳裝置上(方法同實施例 1)；再將碳化矽電泳液倒入電泳池1中，使液面位於石墨管2上方4釐米，同時電泳池1中放入攪拌裝置，然後將電壓為380V的電源的正極接石墨管2，負極接碳纖維，將石墨管2作為陽極，碳纖維作為陰極；打開攪拌裝置混勻碳化矽電泳液，接通電源，開動牽引馬達，使碳纖維在石墨管2中央以0. 007m/s的速度，勻速進行碳化矽電泳沉積。最後在50°C鼓風乾燥後，即可得到成品碳纖維再在氬氣氣氛下1000°C處理1小時，得到表面光潔、結合力更好的成品碳纖維。
實施例7
取200克碳化矽納米顆粒，加入到10000克水乙醇中，超聲處理1小時後，加入20克丙二胺，超聲1. 5小時，形成碳化矽電泳液；在電泳池1中水平固定一根內徑為4釐米，外徑為 6釐米，長度 為300釐米的石墨管2，然後將碳纖維安裝在電泳裝置上(方法同實施例1);再將碳化矽電泳液倒入電泳池1中，使液面位於石墨管2上方10釐米，同時電泳池1中放入攪拌裝置，然後將電壓為300V的電源的正極接石墨管2，負極接碳纖維，將石墨管2作為陽極，碳纖維作為陰極；打開攪拌裝置混勻碳化矽電泳液，接通電源，開動牽引馬達，使碳纖維在石墨管2中央以0. 06m/s的速度，勻速進行碳化矽電泳沉積。最後在150°C鼓風乾燥後， 即可得到成品碳纖維。
權利要求
1.一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法，其特徵在於按照以下步驟進行第一步配製碳化矽電泳液；先將納米碳化矽或者表面改性後的納米碳化矽粉末分散在水或者有機溶劑中，超聲或者攪拌混勻，得到納米碳化矽混合液；所述納米碳化矽或者表面改性後的納米碳化矽粉末佔水或者有機溶劑的重量百分比為0. 1%-5% ；然後向所述納米碳化矽混合液中加入電荷助劑，再超聲或攪拌處理混勻，得到碳化矽電泳液；所述納米碳化矽混合液與電荷助劑重量份之比為100:0. 1-5 ；第二步在電泳池中水平固定一根石墨管，在電泳池上方設置放線輪和收線輪，將碳纖維從放線輪沿著第一導入輪和第二導入輪進入石墨管的一端，從石墨管另一端穿出，而後經過第一導出輪和第二導出輪，將碳纖維前端固定在收線輪上；第三步將碳化矽電泳液加入到電泳池中，將電源的一端接到石墨管上，另一端接到碳纖維上，使石墨管和碳纖維分別構成正負兩個電極；接通電源後，開動牽引馬達，使碳纖維勻速通過石墨管進行碳化矽電泳沉積；第四步將所述碳纖維通過鼓風乾燥，鼓風乾燥溫度50-300°C，即得到成品碳纖維。
2.根據權利要求1所述的一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法，其特徵在於所述的納米碳化矽或為納米顆粒，或為納米晶須，或為納米線，納米碳化矽表面改性是通過強酸刻蝕在其表面形成極性基團。
3.根據權利要求1所述的一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法，其特徵在於所述的有機溶劑或為乙醇，或為異丙醇，或為丁醇，或為丙酮，或為丁酮；電荷助劑或為有機胺，或為單質碘，或為金屬鹽。
4.根據權利要求1所述的一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法，其特徵在於所述的石墨管的內徑為2-10釐米。
5.根據權利要求1所述的一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法，其特徵在於所述方法第三步中碳化矽電泳液加入電泳池後，對其進行攪拌；碳化矽電泳液液面位於石墨管上方2-10釐米。
6.根據權利要求1所述的一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法，其特徵在於所述的電源電壓為50-380V ；碳纖維在石墨管中勻速移動，其速度為0. 001-0. lm/s。
7.根據權利要求1所述的一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法，其特徵在於所述方法第四步中將成品碳纖維在400-1300°C高溫氬氣環境下處理0. 5-2小時。
全文摘要
一種連續在碳纖維表面進行碳化矽塗層的方法涉及一種碳纖維表面塗層技術，具體地說涉及一種採用電泳的方法在碳纖維表面進行碳化矽塗層技術；所要解決的技術問題為提供了一種能夠在碳纖維表面連續塗覆碳化矽塗層，且設備簡單，操作方便、快捷的方法；所採用的技術方案為第一步配製碳化矽電泳液，第二步在電泳池中固定石墨管並安裝碳纖維，第三步連接電源進行碳化矽電泳沉積，第四步進行鼓風乾燥得到成品碳纖維；本發明能夠在碳纖維表面連續塗覆碳化矽塗層，操作簡便，快捷，成本低廉，並且製備的碳化矽塗層碳纖維具有表面光潔、塗層均勻、塗層和基底界面間結合力好且不易脫落的特點。
文檔編號C25D13/16GK102220621SQ20111015241
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月8日 優先權日2011年6月8日
發明者弓永昌, 弓永盛, 郭向雲, 陳巧梅 申請人:太原西科納米技術有限公司