CN102584308B - 碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料的其制备方法，用于解决现有的增强材料的制备方法制备过程复杂的技术问题。技术方案是将碳纤维预制体置于含锆离子水溶液中，经微波水热合成反应、洗涤、干燥，得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。该混杂增强材料兼顾了碳纤维和氧化锆纳米线两种增强体的特点使之起到相互弥补的作用，特别是由于产生的混杂效应提高了单一碳纤维增强材料的力学性能和抗烧蚀性能；该混杂增强材料中氧化锆纳米线均匀生长在碳纤维表面，满足了对复合材料结构和功能兼备的要求。通过控制锆盐溶液浓度、pH值及微波水热反应温度、时间，制备过程反应时间短、反应温度低、操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强材料的其制备方法，特别是涉及一种碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料的其制备方法。
背景技术
混杂增强材料由于各种增强材料不同性质的相互补充，特别是由于产生混杂效应将明显提高或改善原单一增强材料的某些性能。碳纤维具有优异的力学性能，如高比强度、高比模量，特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的耐高温材料，因此在复合材料领域，碳纤维被广泛用于复合材料增强体。氧化锆是一种具有高熔点、导热系数小、化学稳定性好、抗腐蚀性能优良的无机非金属材料，广泛应用于复合材料增强增韧及基体改性研究。
碳纤维/氧化锆混杂增强材料是近年来提出的复合材料增强体，其中氧化锆多为纳米颗粒。文献1“公开号是CN1724473的中国发明专利”公开了一种碳纳米管/氧化锆复合增强体的制备方法，该方法将碳纳米管/氧化锆混杂增强体应用于氧化铝陶瓷中可以明显提高其断裂韧性。
文献2“Hybrid effect of nanoparticles with carbon fibers on the mechanical and wear properties of polymer composites[Composites：Part B(2011)，Article in press]”公开了一种碳纤维和纳米氧化锆颗粒混杂增强聚合物基复合材料，研究结果表明纳米氧化锆颗粒和碳纤维的结合可有效提高复合材料拉伸性能。
文献3“Fracture behaviour of hybrid glass matrix composites：thermal ageing effects[Composites：Part A 34(2003)1177-1185]”公开了一种短切碳纤维和氧化锆混杂增强玻璃基复合材料，研究结果表明混杂增强体可改善复合材料的断裂行为。
但是以上文献公开的制备方法反应时间长、反应温度高，操作复杂。
发明内容
为了克服现有的增强材料的制备方法制备过程复杂的不足，本发明提供一种碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料的其制备方法。该方法将碳纤维预制体置于含锆离子水溶液中，经微波水热合成反应、洗涤、干燥，得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。该混杂增强材料兼顾碳纤维和氧化锆纳米线两种增强体的特点使之起到相互弥补的作 用，特别是由于产生的混杂效应可以提高单一碳纤维增强材料的力学性能和抗烧蚀性能；该混杂增强材料中氧化锆纳米线均匀生长在碳纤维表面，可以满足对复合材料结构和功能兼备的要求。通过控制锆盐溶液浓度、pH值及微波水热反应温度、时间，进而控制混杂材料中碳纤维和氧化锆纳米线的比例及氧化锆纳米线的分布状态。可以达到制备过程反应时间短、反应温度低、操作简单、重复性好的效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料的其制备方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一，将碳纤维预制体在真空高温烧结炉中进行1600℃热处理，以去除碳纤维表面杂质；
步骤二，选用高纯度水溶性锆盐溶于去离子水，配置成溶液，用浓度为15％的氨水调节溶液pH值，并置于恒温磁力搅拌器在50℃充分搅拌，溶液中锆离子的浓度为1～2.5mol/L，溶液pH值为5～11；
步骤三，将步骤二制备的溶液陈化1h，与经步骤1处理的碳纤维预制体置于微波消解罐中，将微波消解罐移入微波合成仪中进行合成反应，微波水热合成反应时间为20～50min，微波水热合成反应温度为160～190℃，微波水热合成反应压力为1～4MPa，反应结束后自然冷却到室温；
步骤四，将经步骤三处理的碳纤维预制体分别经质量浓度为10％盐酸溶液、去离子水及无水乙醇洗涤，60℃烘干，得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。
所述碳纤维预制体是短切碳纤维、碳毡、碳布或碳纤维编制体的任一种。
所述水溶性锆盐是ZrOCl2·8H2O、ZrCl4或ZrO(NO3)2·2H2O的任一种。
本发明的有益效果是：由于将碳纤维预制体置于含锆离子水溶液中，经微波水热合成反应、洗涤、干燥，得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。该混杂增强材料兼顾了碳纤维和氧化锆纳米线两种增强体的特点使之起到相互弥补的作用，特别是由于产生的混杂效应提高了单一碳纤维增强材料的力学性能和抗烧蚀性能；该混杂增强材料中氧化锆纳米线均匀生长在碳纤维表面，满足了对复合材料结构和功能兼备的要求。通过控制锆盐溶液浓度、pH值及微波水热反应温度、时间，进而控制混杂材料中碳纤维和氧化锆纳米线的比例及氧化锆纳米线的分布状态。制备过程反应时间短、反应温度低、操作简单、重复性好。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是由本发明方法实施例4制备的碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料中氧化锆纳米线的X-射线衍射(XRD)图谱；
图2是本发明方法实施例4制备的碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
实施例1：
步骤1：将短切碳纤维在真空高温烧结炉中进行1600℃热处理，以去除碳纤维表面杂质；
步骤2：选用高纯度水溶性ZrOCl2·8H2O溶于去离子水，配置成溶液，用浓度为15％的氨水调节溶液pH值，并置于恒温磁力搅拌器在50℃充分搅拌，溶液中锆离子的浓度为1mol/L，溶液pH＝5；
步骤3：将步骤2制备的溶液陈化1h后，与经步骤1处理的短切碳纤维置于微波消解罐中，将微波消解罐移入微波合成仪中进行合成反应，微波水热合成反应时间为20min，微波水热合成反应温度为160℃，微波水热合成反应压力为1MPa，反应结束后自然冷却到室温；
步骤4：将经步骤3处理的短切碳纤维分别经质量浓度为10％盐酸溶液、去离子水及无水乙醇洗涤，60℃烘干，得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。
实施例2：
步骤1：将碳毡在真空高温烧结炉中进行1600℃热处理，以去除碳毡表面杂质；
步骤2：选用高纯度水溶性ZrOCl2·8H2O溶于去离子水，配置成溶液，用浓度为15％的氨水调节溶液pH值，并置于恒温磁力搅拌器在50℃充分搅拌，溶液中锆离子的浓度为1.5mol/L，溶液pH＝7；
步骤3：将步骤2制备的溶液陈化1h后，与经步骤1处理的碳毡置于微波消解罐中，将微波消解罐移入微波合成仪中进行合成反应，微波水热合成反应时间为30min，微波水热合成反应温度为170℃，微波水热合成反应压力为2MPa，反应结束后自然冷却到室温；
步骤4：将经步骤3处理的碳毡分别经质量浓度为10％盐酸溶液、去离子水及无水乙醇洗涤，60℃烘干，后即得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。
实施例3：
步骤1：将碳布在真空高温烧结炉中进行1600℃热处理，以去除碳布表面杂质；
步骤2：选用高纯度水溶性ZrCl4溶于去离子水，配置成溶液，用浓度为15％的氨水调节溶液pH值，并置于恒温磁力搅拌器在50℃充分搅拌，溶液中锆离子的浓度为2mol/L，溶液pH＝9；
步骤3：将步骤2制备的溶液陈化1h后，与经步骤1处理的碳布置于微波消解罐中，将微波消解罐移入微波合成仪中进行合成反应，微波水热合成反应时间为40min，微波水热合成反应温度为180℃，微波水热合成反应压力为3MPa，反应结束后自然冷却到室温；
步骤4：将经步骤3处理的碳布分别经质量浓度为10％盐酸溶液、去离子水及无水乙醇洗涤，60℃烘干，得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。
实施例4：
步骤1：将碳纤维编制体在真空高温烧结炉中进行1600℃热处理，以去除碳纤维编制体表面杂质；
步骤2：选用高纯度水溶性ZrO(NO3)2·2H2O溶于去离子水，配置成溶液，用浓度为15％的氨水调节溶液pH值，并置于恒温磁力搅拌器在50℃充分搅拌，溶液中锆离子的浓度为2.5mol/L，溶液pH＝11；
步骤3：将步骤2制备的溶液陈化1h后，与经步骤1处理的碳纤维编制体置于微波消解罐中，将微波消解罐移入微波合成仪中进行合成反应，微波水热合成反应时间为50min，微波水热合成反应温度为190℃，微波水热合成反应压力为4MPa，反应结束后自然冷却到室温；
步骤4：将经步骤3处理的碳纤维编制体分别经质量浓度为10％盐酸溶液、去离子水及无水乙醇洗涤，60℃烘干，得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。
由图1可以看出：实施例4制备的氧化锆纳米线晶相为单斜相和四方相氧化锆。
由图2可以看出：实施例4制备的碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料中氧化锆纳米线均匀分布在碳纤维表面及碳纤维之间。
Claims (2)
1.一种碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，将碳纤维预制体在真空高温烧结炉中进行1600℃热处理，以去除碳纤维表面杂质；
步骤二，选用高纯度水溶性锆盐溶于去离子水，配置成溶液，用浓度为15％的氨水调节溶液pH值，并置于恒温磁力搅拌器在50℃充分搅拌，溶液中锆离子的浓度为1～2.5mol/L，溶液pH值为5～11；所述水溶性锆盐是ZrOCl2·8H2O、ZrCl4或ZrO(NO3)2·2H2O的任一种；
步骤三，将步骤二制备的溶液陈化1h，与经步骤一处理的碳纤维预制体置于微波消解罐中，将微波消解罐移入微波合成仪中进行合成反应，微波水热合成反应时间为20～50min，微波水热合成反应温度为160～190℃，微波水热合成反应压力为1～4MPa，反应结束后自然冷却到室温；
步骤四，将经步骤三处理的碳纤维预制体分别经质量浓度为10％盐酸溶液、去离子水及无水乙醇洗涤，60℃烘干，得到碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维/氧化锆纳米线混杂增强材料的制备方法，其特征在于：所述碳纤维预制体是短切碳纤维、碳毡、碳布或碳纤维编制体的任一种。
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