CN110158309B - 一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法 - Google Patents

一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，将碳纤维加热预处理，然后冷却至室温；将SiC粉末与硅橡胶按质量比为5‑10:100混合搅拌均匀得到混合浆料；将碳纤维与混合浆料按质量比为3‑5:100充分混合；将充分浸渍浆料后的碳纤维加热至400‑600℃，反应1‑2h，然后冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。与现有技术相比，本发明对碳纤维本身没有损伤，且制备过程不需要专用设备，不需要高温以及特殊气体，极大简化了制备流程且制备成本大大降低。

Description

一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种纤维表面制备涂层技术领域，尤其是涉及一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法。
背景技术
碳纤维是在复合材料中被广泛用于增强体的一种高强度材料，也是目前研究最成功的纤维材料之一，它可以增强树脂、金属、水泥以及陶瓷材料。碳纤维是所有纤维中比模量和比强度最高的，并且拥有高导电和耐腐蚀的特点。碳纤维的截面近乎为标准的圆形，其较小的截面积使得碳纤维具有极高的拉伸性能，这些优点使得碳纤维自20世纪60年代问世以来便受到了研究者们的高度关注。然而碳纤维的抗氧化性能较低，在400℃以上就开始缓慢氧化失重，在高温环境下复合材料会因为碳纤维性能的衰减而导致综合性能的下降。
为了解决上述问题，需要对碳纤维进行表面改性来使其达到使用要求，常用的方法是制备涂层。碳纤维表面涂层隔绝氧与纤维的接触，从而提高碳纤维的起始氧化温度。还可以作为反应层，从而延缓碳纤维高温氧化的时间。
在碳纤维表面制备涂层的技术有很多种，电镀、化学渡、凝胶-溶胶法、前躯体浸渍法和包埋法，在涂层制备过程中，一般需要专用设备例如CVD，或者在800-100℃的情况下通入惰性气体进行保护，提高了成本，且碳纤维经历高温，性能受到很大的影响，而且涂层内部含有大量的微裂纹，致使涂层容易破坏而脱落，失去保护纤维的效果。
中国专利CN105350294A公开了一种镀碳化硅层的短切碳纤维，它是一种碳化硅涂层厚度在100～500纳米之间，涂层中的碳化硅是纳米晶，碳化硅晶粒为10～50纳米的短切碳纤维。上述镀碳化硅层的短切碳纤维的制备方法主要是将去除表面胶层的短切碳纤维与纳米硅粉按质量比为8～20：100混合，装填到石墨模具中，放入电等离子烧结设备，以100℃/min的速度升至1150℃，再以20℃/min升至1250～1300℃，保温5分钟；然后，以20℃/min降温到1200℃，保温10分钟，随炉自然冷却。取出烧结块后，研磨15分钟，即得到表面镀碳化硅层的短切碳纤维。但是该专利在制备过程中需要经过放电等离子烧结，另外还需要经过高温处理，高温以及放电等离子烧结处理会使碳纤维本身氧化和与硅粉发生反应，这会在碳纤维表面产生微裂纹，从而极大的影响碳纤维本身的机械性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法：
将碳纤维加热预处理，然后冷却至室温；
将SiC粉末与硅橡胶按质量比为5-10:100混合搅拌均匀得到混合浆料；
将碳纤维与混合浆料按质量比为3-5:100充分混合；
将充分浸渍浆料后的碳纤维加热至400-600℃，反应1-2h，然后冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。
所述碳纤维的长度为1-5mm，直径为5-10μm。
所述碳纤维置于马弗炉中进行加热预处理，处理温度为300-400℃，时间为1-2h。
所述SiC粉末的粒径为40-50nm，纯度99.99wt％。
所述硅橡胶为粘度为5000-7000mpa.s的二甲基硅橡胶。
所述SiC粉末与硅橡胶在300-600r/min的转速下机械搅拌12-24h。
所述碳纤维与混合浆料在300-600r/min的转速下机械搅拌12-24h。
所述充分浸渍浆料后的碳纤维在马弗炉中加热到600℃，反应1h。
碳纤维经过预处理后，其SEM照片如图1所示，表面粗糙，有明细的沟壑状。通过机械搅拌，碳化硅均匀分散于二甲基硅橡胶中。碳纤维经过充分浸渍，SEM照片如图2所示，碳纤维表面包覆着一层均匀的SiC粉末与硅橡胶的浆料。最后，充分浸渍浆料后的碳纤维在马弗炉中加热到600℃，反应1h，除去表面残留的硅橡胶，表面形态如图3所示，表面残留着SiC粉末以及少量硅橡胶热解后的SiO2颗粒。
与现有技术相比，本发明不需要经过放电等离子烧结，也不需要经过高温处理，反应温度控制在600℃左右即可，对碳纤维本身没有损伤，且制备过程不需要专用设备，不需要高温以及特殊气体，极大简化了制备流程且制备成本大大降低。
附图说明
图1为预处理后的碳纤维微观结构的SEM照片；
图2为含有碳化硅浆料的碳纤维纤维微观结构的SEM照片；
图3为含有碳化硅涂层的碳纤维纤维微观结构的SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种在碳纤维表面制备碳化硅涂层的方法，通过以下步骤实现：
(1)将长度为1mm，直径为7um碳纤维放在马弗炉中预处理，400℃，1h，随炉冷却至室温；
(2)将粒径为50nm，纯度99.99wt％的SiC粉末与粘度为5000mpa.s的二甲基硅橡胶，硅橡胶质量比为5:100，混合搅拌均匀得到浆料，机械搅拌300r/min，12h；
(3)将碳纤维与SiC浆料充分混合，机械搅拌300r/min，12h，其中碳纤维与浆料质量比为3:100；
(4)将充分浸渍后的碳纤维在马弗炉400℃，1h，随炉冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。
采用本方法制备的碳化硅涂层的最高温度为400℃。
实施例2
本发明提供了一种在碳纤维表面制备碳化硅涂层的方法，通过以下步骤实现：
(1)将长度为2mm，直径为7um碳纤维放在马弗炉中预处理，400℃，1h，随炉冷却至室温；
(2)将粒径为50nm，纯度99.99wt％的SiC粉末与粘度为7000mpa.s的二甲基硅橡胶。硅橡胶质量比为10:100，混合搅拌均匀得到浆料，机械搅拌300r/min，12h；
(3)将碳纤维与SiC浆料充分混合，机械搅拌300r/min，12h，其中碳纤维与浆料质量比为3:100；
(4)将充分浸渍后的碳纤维在马弗炉500℃，1h，随炉冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。
采用本方法制备的碳化硅涂层的最高温度为500℃。
实施例3
本发明提供了一种在碳纤维表面制备碳化硅涂层的方法，通过以下步骤实现：
(1)将长度为5mm，直径为7um碳纤维放在马弗炉中预处理，400℃，1h，随炉冷却至室温；
(2)将粒径为50nm，纯度99.99wt％的SiC粉末与粘度为7000mpa.s的二甲基硅橡胶。硅橡胶质量比为10:100，混合搅拌均匀得到浆料，机械搅拌300r/min，12h；
(3)将碳纤维与SiC浆料充分混合，机械搅拌300r/min，12h，其中碳纤维与浆料质量比为5:100；
(4)将充分浸渍后的碳纤维在马弗炉600℃，1h，随炉冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。
采用本方法制备的碳化硅涂层的最高温度为600℃。
实施例4
本发明提供了一种在碳纤维表面制备碳化硅涂层的方法，通过以下步骤实现：
(1)将长度为1mm，直径为5μm碳纤维置于马弗炉中，控制温度为300℃加热预处理2h，然后冷却至室温；
(2)将粒径为40nm，纯度99.99wt％的SiC粉末与粘度为5000mpa.s的二甲基硅橡胶按质量比为5:100混合，在300r/min的转速下机械搅拌24h，搅拌均匀得到混合浆料；
(3)将碳纤维与混合浆料按质量比为3:100混合，在300r/min的转速下机械搅拌24h；
(4)将充分浸渍浆料后的碳纤维加热至400℃，反应2h，然后冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。
实施例5
本发明提供了一种在碳纤维表面制备碳化硅涂层的方法，通过以下步骤实现：
(1)将长度为3mm，直径为9μm碳纤维置于马弗炉中，控制温度为350℃加热预处理2h，然后冷却至室温；
(2)将粒径为40nm，纯度99.99wt％的SiC粉末与粘度为6000mpa.s的二甲基硅橡胶按质量比为7:100混合，在400r/min的转速下机械搅拌18h，搅拌均匀得到混合浆料；
(3)将碳纤维与混合浆料按质量比为4:100混合，在400r/min的转速下机械搅拌18h；
(4)将充分浸渍浆料后的碳纤维加热至500℃，反应1.5h，然后冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。
实施例6
本发明提供了一种在碳纤维表面制备碳化硅涂层的方法，通过以下步骤实现：
(1)将长度为5mm，直径为10μm碳纤维置于马弗炉中，控制温度为400℃加热预处理1h，然后冷却至室温；
(2)将粒径为50nm，纯度99.99wt％的SiC粉末与粘度为7000mpa.s的二甲基硅橡胶按质量比为10:100混合，在600r/min的转速下机械搅拌12h，搅拌均匀得到混合浆料；
(3)将碳纤维与混合浆料按质量比为5:100混合，在600r/min的转速下机械搅拌12h；
(4)将充分浸渍浆料后的碳纤维加热至600℃，反应1h，然后冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，采用以下方法：
将碳纤维加热预处理，然后冷却至室温；
将SiC粉末与硅橡胶按质量比为5-10:100混合搅拌均匀得到混合浆料；
将碳纤维与混合浆料按质量比为3-5:100充分混合；
将充分浸渍浆料后的碳纤维加热至400-600℃，反应1-2h，然后冷却至室温，得到表面具有碳化硅涂层的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，所述碳纤维的长度为1-5mm，直径为5-10μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，所述碳纤维置于马弗炉中进行加热预处理。
4.根据权利要求3所述的一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，所述加热预处理的温度为300-400℃，时间为1-2h。
5.根据权利要求1所述的一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，所述SiC粉末的粒径为40-50nm，纯度99.99wt％。
6.根据权利要求1所述的一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，所述硅橡胶为粘度为5000-7000mpa.s的二甲基硅橡胶。
7.根据权利要求1或5或6所述的一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，所述SiC粉末与硅橡胶在300-600r/min的转速下机械搅拌12-24h。
8.根据权利要求1所述的一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，所述碳纤维与混合浆料在300-600r/min的转速下机械搅拌12-24h。
9.根据权利要求1所述的一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法，其特征在于，所述充分浸渍浆料后的碳纤维在马弗炉中加热到600℃，反应1h。
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