CN102220621A - 一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法 - Google Patents

Abstract

一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法涉及一种碳纤维表面涂层技术，具体地说涉及一种采用电泳的方法在碳纤维表面进行碳化硅涂层技术；所要解决的技术问题为提供了一种能够在碳纤维表面连续涂覆碳化硅涂层，且设备简单，操作方便、快捷的方法；所采用的技术方案为：第一步配制碳化硅电泳液，第二步在电泳池中固定石墨管并安装碳纤维，第三步连接电源进行碳化硅电泳沉积，第四步进行鼓风干燥得到成品碳纤维；本发明能够在碳纤维表面连续涂覆碳化硅涂层，操作简便，快捷，成本低廉，并且制备的碳化硅涂层碳纤维具有表面光洁、涂层均匀、涂层和基底界面间结合力好且不易脱落的特点。

Description

一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法

技术领域

本发明一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法涉及一种碳纤维表面涂层技术，具体地说涉及一种采用电泳的方法在碳纤维表面进行碳化硅涂层技术。

背景技术

碳纤维具有质量轻、模量高、强度大、耐疲劳性和抗酸碱等优点，例如碳纤维的比重是钢铁的1/4，但强度却是钢铁的7-8倍；碳纤维的耐酸碱和抗疲劳性能也明显优于钢铁。因此，碳纤维增强复合材料在航空航天、工程机械和体育器材等高科技领域有重要的应用。另外碳纤维的导电性能介于金属和非金属之间，是一种重要的高温结构吸波材料，国外已应用在一些先进的隐形战机上，如美国的B-2轰炸机，其机翼结构材料主要是由碳纤维复合材料构成的。碳纤维材料优异的理化性能，特别是其制品的结构和尺寸稳定性，使得碳纤维制品成为航天飞机、火箭和导弹锥头和喷管等首选材料。然而，碳纤维材料在使用过程中，特别是在有氧气环境中存在易烧蚀的问题。如何解决碳纤维的抗氧化性能差的问题，成为材料界的一个难点问题。

碳化硅具有强度高、导热性好、化学性质稳定和抗氧化性能好等优点。碳化硅和碳纤维界面间能够形成稳定的化学键，可有效防止涂层的脱落；而且在高温氧化环境下，碳化硅涂层氧化形成的致密氧化硅保护膜，可阻止复合材料的进一步氧化。另一方面，在碳纤维表面涂覆一层碳化硅后，还能解决碳纤维与铝、钛等金属在复合过程中存在的界面活性高、易发生化学反应，导致力学性能降低等问题。因此，在碳纤维表面涂覆一层碳化硅材料，不仅能提高碳纤维材料的抗氧化性能，而且还能解决碳纤维与金属界面间的化学问题，提高碳纤维增强材料的力学性能，拓宽碳纤维材料的应用领域。

表面涂覆碳化硅的碳纤维材料，具有碳纤维材料原有的质量轻、模量高、强度大、耐疲劳性和抗酸碱等优点，同时还解决了碳纤维抗氧化性差和在与金属复合过程中存在的界面活性过高等问题。因此是一种性能比碳纤维更优异，用途更广泛的先进材料，在航空航天等高科技领域有更广泛的应用价值。在碳纤维表面涂覆一层碳化硅形成碳芯碳化硅纤维，已成为材料界的一个研究热点。相关技术国内外也有文献报道。

中国专利02121071.3公布了一种在碳纤维表面涂覆碳化硅表层的方法和专用装置。该技术采用射频聚焦式加热装置将碳纤维加热到1100-1300℃，并在石英管或反应器中形成一氯硅烷和高纯氩气的反应环境，使氯硅烷裂解形成氯化氢的同时，将碳化硅气相沉积在碳纤维表面，形成碳化硅涂层。中国专利200610151216.3公布了一种在碳纤维表面制备碳化硅涂层的方法。该技术是将纯度为99.99%的硅粉和纯度为99.9%的碳粉按1:1的摩尔比混合后装入真空球磨罐中，球料质量比为20~35:1，然后将球磨罐抽真空后重入0.01~0.2个大气压的纯度为99.9999%的氩气，将球磨罐置于高能球磨机上以430~510转/分的速度球磨10~24小时，用2%~5%的盐酸对球磨后的粉体进行酸性，酸洗后用蒸馏水洗，在60~80℃烘干5~10小时，得到混合干粉，再取含量为3%~10%的异辛酸铈或异辛酸钇溶液80~120毫升，与4~6克混合物干粉混合，并加入分析纯乙醇或汽油调成质量浓度为5~15%的浆料；再讲碳纤维放入浆料中浸渍5~15分并同时对浆料进行超声波振荡，将浸渍后的碳纤维放入烘箱中以60~100℃的温度烘干2~4小时，最后将干燥后的碳纤维放入真空炉中，抽空到10-2Pa后通入纯度为99.9999%的氩气并在1200~1600℃的条件下烧结0.5~2小时，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。

采用电化学方法在碳/碳复合材料表面沉积碳化硅的方法，也有专利报道。如中国专利200810231996公告了一种碳/碳复合材料纳米碳化硅外涂层方法。该方法首先将0.5-1克纳米碳化硅放入锥形瓶中，加入100-300ml异丙醇制成悬浮液，放入200-300瓦超声处理器中超声处理30-60分钟，并用磁力搅拌器上搅拌12-24小时后，加入0.04-0.4克碘单质，再用超声处理30-60分钟，磁力搅拌器上搅拌12-24小时，得到碳化硅悬浮液。然后将悬浮液放入水热反应釜中，将碳/碳复合材料样品夹到水热反应釜中的阴极上，放入烘箱中，接通电源。在80-300℃下，电压在120-230V范围内，电泳处理5-60分钟，最后将电泳处理过的样品在烘箱中80-100℃烘烤1-2小时，即可将碳化硅涂覆到碳/碳复合材料的外表面上。

采用化学气相沉积法制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维，反应设备昂贵，而且在反应过程中产生对环境有害气体如氯化氢等；而采用表面涂浆烧结形成碳化硅涂层的方法，过程繁琐，涂层均匀性差。专利200810231996.1描述的电泳法，设备简单，操作费用低，但该方法只能用于成型后的块状碳材料表面涂覆碳化硅，且难以对长纤维进行连续化处理。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题为提供一种能够在碳纤维表面连续涂覆碳化硅涂层，且设备简单，操作方便、快捷的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为按照以下步骤进行：

第一步：配制碳化硅电泳液；

先将纳米碳化硅或者表面改性后的纳米碳化硅粉末分散在水或者有机溶剂中，超声或者搅拌混匀，得到纳米碳化硅混合液；纳米碳化硅或者表面改性后的纳米碳化硅粉末占水或者有机溶剂的重量百分比为0.1%-5%；

然后向纳米碳化硅混合液中加入电荷助剂，再超声或搅拌处理混匀，得到碳化硅电泳液；纳米碳化硅混合液与电荷助剂重量份之比为100:0.1-5；

第二步：在电泳池中水平固定一根石墨管，在电泳池上方设置放线轮和收线轮，将碳纤维从放线轮沿着第一导入轮和第二导入轮进入石墨管的一端，从石墨管另一端穿出，而后经过第一导出轮和第二导出轮，将碳纤维前端固定在收线轮上；

第三步：将碳化硅电泳液加入到电泳池中，将电源的一端接到石墨管上，另一端接到碳纤维上，使石墨管和碳纤维分别构成正负两个电极；接通电源后，开动牵引马达，使碳纤维匀速通过石墨管进行碳化硅电泳沉积；

第四步：将碳纤维通过鼓风干燥，鼓风干燥温度50-300℃，即得到成品碳纤维。

纳米碳化硅或为纳米颗粒，或为纳米晶须，或为纳米线，纳米碳化硅表面改性是通过强酸刻蚀在其表面形成极性基团。

有机溶剂或为乙醇，或为异丙醇，或为丁醇，或为丙酮，或为丁酮；电荷助剂或为有机胺，或为单质碘，或为金属盐。

石墨管的内径为2-10厘米。

方法第三步中碳化硅电泳液加入电泳池后，对其进行搅拌；碳化硅电泳液液面位于石墨管上方2-10厘米。

电源电压为50-380V；碳纤维在石墨管中匀速移动，其速度为0.001-0.1m/s。

方法第四步中将成品碳纤维在400-1300℃高温氩气环境下处理0.5-2小时。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明能够在碳纤维表面连续涂覆碳化硅涂层，操作简便，快捷，成本低廉，并且制备的碳化硅涂层碳纤维具有表面光洁、涂层均匀、涂层和基底界面间结合力好且不易脱落的特点。

2、在本发明中，发明了一种特殊的电泳装置，该装置阳极为管状石墨，阴极为碳纤维，碳纤维通过电源与电源相连，碳纤维位于阳极石墨管中央。碳纤维在动力牵引下可连续移动。该设备带有自动传递装置和电压调节系统，能够根据需要，自动调节碳纤维在石墨管中央的移动速度和电极间的电压，因而能够实现碳纤维连续化电泳涂层。

附图说明

图1为本发明实施例1所用电泳装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

结合附图电泳装置的结构示意图对具体实施例进行进一步的说明。

取50克碳纳米化硅颗粒，加入到1000克水中，超声处理0.5小时后，加入1.05克乙二胺，搅拌2小时，得到碳化硅电泳液；在电泳池1中水平固定一根内径为2厘米，外径为5厘米，长度为30厘米的石墨管2，将碳纤维从设置在电泳池1上方的放线轮5经过第一导入轮4和第二导入轮3改向，使碳纤维从石墨管2一端进入，从石墨管2的另一端穿出，然后经过第一导出轮6和第二导出轮7改向，将碳纤维前端固定在收线轮8上；再将碳化硅电泳液倒入电泳池1中，使液面位于石墨管2上方7厘米，同时电泳池1中放入搅拌装置，然后将电压为50V的电源的正极接石墨管2，负极接碳纤维，将石墨管2作为阳极，碳纤维作为阴极；打开搅拌装置混匀碳化硅电泳液，接通电源，开动牵引马达，使碳纤维在石墨管2中央以0.001m/s的速度，匀速进行碳化硅电泳沉积。最后在60℃鼓风干燥后，即可得到成品碳纤维。

以下实施例2-7所用电泳装置均与实施例1相同。

实施例2

取3克碳化硅纳米线，加入到3000克异丙醇中，超声处理0.5小时后，加入4克正丁胺，超声2小时，得到碳化硅电泳液；在电泳池1中水平固定一根内径为6厘米，外径为10厘米，长度为60厘米的石墨管2，然后将碳纤维安装在电泳装置上（方法同实施例1）；再将碳化硅电泳液倒入电泳池1中，使液面位于石墨管2上方2厘米，同时电泳池1中放入搅拌装置，然后将电压为100V的电源的正极接石墨管2，负极接碳纤维，将石墨管2作为阳极，碳纤维作为阴极；打开搅拌装置混匀碳化硅电泳液，接通电源，开动牵引马达，使碳纤维在石墨管2中央以0.003m/s的速度，匀速进行碳化硅电泳沉积。最后在100℃鼓风干燥后，即可得到成品碳纤维，再在氩气气氛下800℃处理1.2小时，得到表面光洁、结合力更好的成品碳纤维。

实施例3

取100克经过强酸处理过的碳化硅纳米颗粒，加入到2000克丁醇中，超声处理1小时后，加入105克单质碘，搅拌0.5小时，得到碳化硅电泳液；在电泳池1中水平固定一根内径为4厘米，外径为8厘米，长度为60厘米的石墨管2，然后将碳纤维安装在电泳装置上（方法同实施例1）；再将碳化硅电泳液倒入电泳池1中，使液面位于石墨管2上方5厘米，同时电泳池1中放入搅拌装置，然后将电压为150V的电源的正极接石墨管2，负极接碳纤维，将石墨管2作为阳极，碳纤维作为阴极；打开搅拌装置混匀碳化硅电泳液，接通电源，开动牵引马达，使碳纤维在石墨管2中央以0.01m/s的速度，匀速进行碳化硅电泳沉积。最后在200℃鼓风干燥后，得到成品碳纤维，再在氩气气氛下400℃处理2小时，得到表面光洁、结合力更好的成品碳纤维。

实施例4

取250克碳化硅纳米晶须，加入到10000克丙酮中，超声处理1.5小时后，加入30克氯化钠，搅拌1.5小时，形成碳化硅电泳液；在电泳池1中水平固定一根内径为10厘米，外径为12厘米，长度为50厘米的石墨管2，然后将碳纤维安装在电泳装置上（方法同实施例1）；再将碳化硅电泳液倒入电泳池1中，使液面位于石墨管2上方6厘米，同时电泳池1中放入搅拌装置，然后将电压为200V的电源的正极接石墨管2，负极接碳纤维，将石墨管2作为阳极，碳纤维作为阴极；打开搅拌装置混匀碳化硅电泳液，接通电源，开动牵引马达，使碳纤维在石墨管2中央以0.05m/s的速度，匀速进行碳化硅电泳沉积。最后在200℃鼓风干燥后，得到成品碳纤维，再在氩气气氛下1300℃处理0.5小时，得到表面光洁、结合力更好的成品碳纤维。

实施例5

取5克碳化硅纳米颗粒，加入到1000克丁酮中，超声处理0.5小时后，加入5克正己胺，超声1小时，形成碳化硅电泳液；在电泳池1中水平固定一根内径为5厘米，外径为10厘米，长度为20厘米的石墨管2，然后将碳纤维安装在电泳装置上（方法同实施例1）；再将碳化硅电泳液倒入电泳池1中，使液面位于石墨管2上方8厘米，同时电泳池1中放入搅拌装置，然后将电压为220V的电源的正极接石墨管2，负极接碳纤维，将石墨管2作为阳极，碳纤维作为阴极；打开搅拌装置混匀碳化硅电泳液，接通电源，开动牵引马达，使碳纤维在石墨管2中央以0.1m/s的速度，匀速进行碳化硅电泳沉积。最后在300℃鼓风干燥后，即可得到成品碳纤维。

实施例6

取15克表面改性的碳化硅纳米颗粒，加入到1000克水中，超声处理2小时后，加入3克氯化钙，超声0.5小时，形成碳化硅电泳液；在电泳池1中水平固定一根内径为5厘米，外径为8厘米，长度为10厘米的石墨管2，然后将碳纤维安装在电泳装置上（方法同实施例1）；再将碳化硅电泳液倒入电泳池1中，使液面位于石墨管2上方4厘米，同时电泳池1中放入搅拌装置，然后将电压为380V的电源的正极接石墨管2，负极接碳纤维，将石墨管2作为阳极，碳纤维作为阴极；打开搅拌装置混匀碳化硅电泳液，接通电源，开动牵引马达，使碳纤维在石墨管2中央以0.007m/s的速度，匀速进行碳化硅电泳沉积。最后在50℃鼓风干燥后，即可得到成品碳纤维再在氩气气氛下1000℃处理1小时，得到表面光洁、结合力更好的成品碳纤维。

实施例7

取200克碳化硅纳米颗粒，加入到10000克水乙醇中，超声处理1小时后，加入20克丙二胺，超声1.5小时，形成碳化硅电泳液；在电泳池1中水平固定一根内径为4厘米，外径为6厘米，长度为300厘米的石墨管2，然后将碳纤维安装在电泳装置上（方法同实施例1）；再将碳化硅电泳液倒入电泳池1中，使液面位于石墨管2上方10厘米，同时电泳池1中放入搅拌装置，然后将电压为300V的电源的正极接石墨管2，负极接碳纤维，将石墨管2作为阳极，碳纤维作为阴极；打开搅拌装置混匀碳化硅电泳液，接通电源，开动牵引马达，使碳纤维在石墨管2中央以0.06m/s的速度，匀速进行碳化硅电泳沉积。最后在150℃鼓风干燥后，即可得到成品碳纤维。

Claims (7)

1.一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法，其特征在于按照以下步骤进行：

第一步：配制碳化硅电泳液；

先将纳米碳化硅或者表面改性后的纳米碳化硅粉末分散在水或者有机溶剂中，超声或者搅拌混匀，得到纳米碳化硅混合液；所述纳米碳化硅或者表面改性后的纳米碳化硅粉末占水或者有机溶剂的重量百分比为0.1%-5%；

然后向所述纳米碳化硅混合液中加入电荷助剂，再超声或搅拌处理混匀，得到碳化硅电泳液；所述纳米碳化硅混合液与电荷助剂重量份之比为100:0.1-5；

第二步：在电泳池中水平固定一根石墨管，在电泳池上方设置放线轮和收线轮，将碳纤维从放线轮沿着第一导入轮和第二导入轮进入石墨管的一端，从石墨管另一端穿出，而后经过第一导出轮和第二导出轮，将碳纤维前端固定在收线轮上；

第三步：将碳化硅电泳液加入到电泳池中，将电源的一端接到石墨管上，另一端接到碳纤维上，使石墨管和碳纤维分别构成正负两个电极；接通电源后，开动牵引马达，使碳纤维匀速通过石墨管进行碳化硅电泳沉积；

第四步：将所述碳纤维通过鼓风干燥，鼓风干燥温度50-300℃，即得到成品碳纤维。

2.根据权利要求1所述的一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述的纳米碳化硅或为纳米颗粒，或为纳米晶须，或为纳米线，纳米碳化硅表面改性是通过强酸刻蚀在其表面形成极性基团。

3.根据权利要求1所述的一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述的有机溶剂或为乙醇，或为异丙醇，或为丁醇，或为丙酮，或为丁酮；电荷助剂或为有机胺，或为单质碘，或为金属盐。

4.根据权利要求1所述的一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述的石墨管的内径为2-10厘米。

5.根据权利要求1所述的一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述方法第三步中碳化硅电泳液加入电泳池后，对其进行搅拌；碳化硅电泳液液面位于石墨管上方2-10厘米。

6.根据权利要求1所述的一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述的电源电压为50-380V；碳纤维在石墨管中匀速移动，其速度为0.001-0.1m/s。

7.根据权利要求1所述的一种连续在碳纤维表面进行碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述方法第四步中将成品碳纤维在400-1300℃高温氩气环境下处理0.5-2小时。

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