CN105565836A - 催化cvd法制备碳纤维复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种催化CVD制备碳纤维复合材料的方法，具体步骤为：先将碳纤维进行预处理，对碳纤维表面加载催化剂，随后在真空碳管炉中进行中锻烧、还原以及沉积增密，最后经高温石墨化处理，冷却后即制得；本发明不仅保留了传统等温CVD一炉多件的优点，同时有效地提高了热解碳的沉积速率，是一种极具工业化前景的碳纤维复合材料制备技术。本发明的制备方法，步骤简单，容易实现。

Description

催化CVD法制备碳纤维复合材料
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及催化CVD法制备碳纤维复合材料。
背景技术
碳纤维增强碳基体复合材料，简称碳/碳(碳纤维)复合材料，碳纤维复合材料是将高强度的碳纤维嵌入基体碳复合而成，而增强体与基体同为一种元素的特点，使得二者各自的性能得以保持。碳纤维复合材料比重轻，密度仅为陶瓷材料的1/2，镍基合金的1/4；力学性能具有比强度高、比模量大、断裂韧性好，特别是在高温时，其强度不仅不下降反而随着温度上升而升高，这是其他材料无法比拟的独有特征；碳纤维复合材料热物理性能则具有热膨胀系数低，耐烧蚀、热震稳定性好等特点。因此，碳纤维复合材料具有广阔的应用前景，是21世纪最具竞争力的高温结构材料。近年来，随着光伏产业的高速发展，碳纤维复合材料远远强于石墨热场材料的优异性能不仅使其成为高温热场系统最炙手可热的首选材料，而且从根本上解决了国内高纯等静压石墨依靠进口的限制。碳纤维复合材料的致密化过程是影响其结构与性能的关键步骤，其工艺技术的优劣直接影响到材料的应用。
目前，化学气相沉积法是制备碳纤维复合材料最常用的工艺技术，但该方法存在制备周期长，成本高、原料利用率低等缺陷，直接制约着碳纤维复合材料的进一步发展。因此，如何高效快速地制备碳纤维复合材料成为该领域学者的主攻方向之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种催化CVD制备碳纤维复合材料的方法，解决传统化学气相沉积法制备周期长，成本高、原料利用率低的问题。
本发明所采用的技术方案是，催化CVD制备碳纤维复合材料，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、在真空条件下，将碳纤维放入2100℃～2300℃环境中锻烧1.5h～2.5h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在50℃～70℃浸泡30min～90min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用；
步骤2、取8mL～10mL复合催化剂，加入浓度为2mol/L的氨水80mL～100mL，再加入20mL～40mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀；
步骤3、将步骤2制得的混合溶液转移到高压反应釜中，将步骤1所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍10h～15h；
步骤4、将步骤3中的反应釜浸入110℃～130℃的油浴中反应2h～3h；
步骤5、用冷水对步骤4中的反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干；
步骤6、将步骤5所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂Ni颗粒的碳纤维预制体；
步骤7、将步骤6所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密。其中，主要工艺参数为：温度1200℃～1300℃，管道天然气气体流量范围为4L～6L，气氛压力控制约为1KPa～2KPa，沉积时间为40h～60h；
步骤8、将步骤7所得沉积增密后的样品在2100℃～2300℃温度下高温石墨化处理2h～3h，自然冷却后即得成品。
步骤2中，复合催化剂中Ni、La、Al的摩尔比为：Ni：La：Al＝15:2:3。
步骤6中，煅烧温度为450℃，时间为3h；还原温度为500℃，时间为1h。
本发明催化CVD制备碳纤维复合材料具有以下优点：
催化CVD法是以等温CVD为基础而衍生出的改进工艺方法。该方法不仅保留了传统等温CVD一炉多件的优点，同时有效地提高了热解碳的沉积速率，是一种极具工业化前景的碳纤维复合材料制备技术。
附图说明
图1是本发明催化CVD制备碳纤维复合材料的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
步骤1、在真空条件下，将碳纤维放入2100℃环境中锻烧2.5h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在70℃浸泡30min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用；
步骤2、取8mL复合催化剂，加入浓度为2mol/L的氨水80mL，再加入40mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀；
步骤3、将步骤2制得的混合溶液转移到高压反应釜中，将步骤1所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍10h；
步骤4、将步骤3中的反应釜浸入110℃的油浴中反应3h；
步骤5、用冷水对步骤4中的反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干；
步骤6、将步骤5所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂Ni颗粒的碳纤维预制体；
步骤7、将步骤6所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密。其中，主要工艺参数为：温度1200℃，管道天然气气体流量范围为6L，气氛压力控制约为1KPa，沉积时间为60h；
步骤8、将步骤7所得沉积增密后的样品在2100℃温度下高温石墨化处理3h，自然冷却后即得成品。
实施例2
步骤1、在真空条件下，将碳纤维放入2300℃环境中锻烧1.5h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在50℃浸泡90min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用；
步骤2、取10mL复合催化剂，加入浓度为2mol/L的氨水100mL，再加入20mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀；
步骤3、将步骤2制得的混合溶液转移到高压反应釜中，将步骤1所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍15h；
步骤4、将步骤3中的反应釜浸入130℃的油浴中反应2h；
步骤5、用冷水对步骤4中的反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干；
步骤6、将步骤5所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂Ni颗粒的碳纤维预制体；
步骤7、将步骤6所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密。其中，主要工艺参数为：温度1300℃，管道天然气气体流量范围为4L，气氛压力控制约为2KPa，沉积时间为40h；
步骤8、将步骤7所得沉积增密后的样品在2300℃温度下高温石墨化处理2h，自然冷却后即得成品。
实施例3
步骤1、在真空条件下，将碳纤维放入2200℃环境中锻烧2h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在60℃浸泡30min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用；
步骤2、取10mL复合催化剂，加入浓度为2mol/L的氨水100mL，再加入40mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀；
步骤3、将步骤2制得的混合溶液转移到高压反应釜中，将步骤1所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍12h；
步骤4、将步骤3中的反应釜浸入120℃的油浴中反应2h；
步骤5、用冷水对步骤4中的反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干；
步骤6、将步骤5所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂Ni颗粒的碳纤维预制体；
步骤7、将步骤6所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密。其中，主要工艺参数为：温度1250℃，管道天然气气体流量范围为5L，气氛压力控制约为1.5KPa，沉积时间为50h；
步骤8、将步骤7所得沉积增密后的样品在2200℃温度下高温石墨化处理2h，自然冷却后即得成品。

Claims (3)

1.催化CVD制备碳纤维复合材料，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、在真空条件下，将碳纤维放入2100℃～2300℃环境中锻烧1.5h～2.5h，将锻烧后的碳纤维基体用硝酸和硫酸的混合溶液在50℃～70℃浸泡30min～90min，接着用去离子水冲洗至中性，最后烘干待用；
步骤2、取8mL～10mL复合催化剂，加入浓度为2mol/L的氨水80mL～100mL，再加入20mL～40mL无水乙醇，搅拌使其混合均匀；
步骤3、将步骤2制得的混合溶液转移到高压反应釜中，将步骤1所得的碳纤维预制体放入釜中浸渍10h～15h；
步骤4、将步骤3中的反应釜浸入110℃～130℃的油浴中反应2h～3h；
步骤5、用冷水对步骤4中的反应釜急冷，使其温度降至室温，取出碳纤维预制体，在不断翻动的情况下阴干；
步骤6、将步骤5所得的试样转入真空碳管炉中锻烧、还原，得加载有金属催化剂Ni颗粒的碳纤维预制体；
步骤7、将步骤6所得碳纤维预制体装载在真空碳管炉中，进行沉积增密。其中，主要工艺参数为：温度1200℃～1300℃，管道天然气气体流量范围为4L～6L，气氛压力控制约为1KPa～2KPa，沉积时间为40h～60h；
步骤8、将步骤7所得沉积增密后的样品在2100℃～2300℃温度下高温石墨化处理2h～3h，自然冷却后即得成品。
2.按照权利要求1所述催化CVD制备碳纤维复合材料的方法，其特征在于，步骤2中，所述复合催化剂中Ni、La、Al的摩尔比为：Ni：La：Al＝15:2:3。
3.按照权利要求1所述催化CVD制备碳纤维复合材料的方法，其特征在于，步骤6中，煅烧温度为450℃，时间3h；还原温度为500℃，时间1h。
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