CN111019603A - 一种四氧化三钴/碳纤维复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种四氧化三钴/碳纤维复合材料及其制备方法与应用。所述四氧化三钴/碳纤维复合材料的制备方法，包括：(1)以水为溶剂，加入硝酸钴与尿素，搅拌，得到玫瑰色溶液；继续加入碳纤维，反应得到氢氧化钴/碳纤维；(2)以氢氧化钴/碳纤维为前驱体，煅烧，得到四氧化三钴/碳纤维复合材料。本发明采取两步法制得的四氧化三钴/碳纤维复合材料，既具有优异的导电导磁性能，又保持了轻量化特点，解决了现有碳纤维用于树脂复合材料时磁性能差、低频防护性能差的问题，更适用作轨道车辆车体及关键部件的复合材料。

Description

一种四氧化三钴/碳纤维复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种四氧化三钴/碳纤维复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
在轨道车辆车体及关键部件设计和制造要求中，轻量化是实现节能减排绿色制作的关键。其中，碳纤维复合材料具有比强度高的优点，成为轨道交通车辆轻量化的首选材料。但碳纤维复合材料的导电性和致密性较低，其电磁屏蔽性能远不如铝合金、钢铁等金属材料，特别是其低频电磁防护效能较差。
碳纤维复合材料主要是由碳纤维和树脂基体构成，其屏蔽效能由碳纤维来决定。碳纤维具有一定的导电性，但不具备磁性能，因此其低频防护性能较差。为了改善复合材料低频防护性能，必须对其进行表面改性设计，提高其导电导磁性能。
但是针对碳纤维进行材料表面改性以提升碳纤维复合材料电磁防护性能的研究较少，也未取得突破性进展。目前，关于碳纤维表面改性主要是表面镀镍，但该方法会提升碳纤维的密度，进而增加碳纤维复合材料的密度，降低了其轻量化的作用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种新的碳纤维表面改性方法。本发明采用两步法制备碳纤维负载磁性纳米颗粒复合材料，解决了现有碳纤维用于树脂复合材料时磁性能差、低频防护性能差的问题。
本发明所述四氧化三钴/碳纤维复合材料的制备方法，包括：
(1)以水为溶剂，加入硝酸钴与尿素，搅拌，得到玫瑰色溶液，即生成氢氧化钴；继续加入碳纤维，反应得到氢氧化钴/碳纤维；
(2)以氢氧化钴/碳纤维为前驱体，煅烧，得到四氧化三钴/碳纤维复合材料。
本发明采取两步法制得的四氧化三钴/碳纤维复合材料，既具有优异的导电导磁性能，又保持了轻量化特点，更适用作轨道车辆车体及关键部件的复合材料。
根据本发明的一些实施例，在步骤(1)中，所述硝酸钴与尿素的摩尔比为1：(1-5)，优选3:5。研究表明，在此比例条件下，四氧化三钴生长速度显著提高且呈片状结构。
根据本发明的一些实施例，在步骤(1)中，所述反应的条件为：温度110～130℃，时间2～12小时，优选8～12小时。
根据本发明的一些实施例，在步骤(1)中，所述碳纤维与所述硝酸钴的质量比为(1～2)：(1～4)。研究表明，在此比例条件下，可以保证碳纤维表面被四氧化三钴完全包覆，且反应后的溶液中残留较少。
根据本发明的一些实施例，在步骤(1)中，将所述氢氧化钴/碳纤维冲洗，并于55-65℃干燥8～12小时，更有利于提高复合材料的综合性能。
根据本发明的一些实施例，在步骤(1)中，所述碳纤维优选为1.5-2.5cm的短纤维，并经超声清洗处理。选择合适长度的纤维，使其更好的与氢氧化钴复合，更有利于提高复合材料的综合性能。
根据本发明的一些实施例，在步骤(2)中，所述煅烧的条件为：温度350～450℃，优选400-450℃；时间1～2小时。研究表明，在此条件下，所得四氧化三钴/碳纤维复合材料的结合力更好，更有利于提高复合材料的综合性能。
根据本发明的一些实施例，在步骤(2)中，在所述煅烧过程中，加热速率为1-3℃/min；优选2℃/min。研究表明，合理控制加热速率可以避免快速加热条件下四氧化三钴和碳纤维之间由于模量差距大导致的剥离，从而更有利于提高复合材料的界面结合力。
本发明还提供上述制备方法得到的四氧化三钴/碳纤维复合材料。所述四氧化三钴/碳纤维复合材料具有四氧化三钴包覆碳纤维的复合微观结构，其表面四氧化三钴呈尺寸为90-110nm的纤维状，其电导率为(5.5-5.61)×105S/m，相对磁导率为14-16。
本发明还提供上述四氧化三钴/碳纤维复合材料在轨道车辆、航空器等中的应用。
本发明的有益效果如下：
本发明采用两步法制得的碳纤维负载磁性纳米颗粒复合材料，既具有优异的导电导磁性能，又保持了轻量化特点，更适用作轨道车辆车体及关键部件的复合材料。
附图说明
图1为实施例1中经丙酮、乙醇和去离子水清洗后的碳纤维的SEM照片。
图2为实施例1所述氢氧化钴/碳纤维的SEM照片。
图3为实施例2所述氢氧化钴/碳纤维的SEM照片。
图4为实施例1所述四氧化三钴/碳纤维复合材料的SEM照片。
图5为实施例1所述四氧化三钴/碳纤维复合材料的XRD图谱。
图6为实施例1所述氢氧化钴的TEM照片。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种两步法制备四氧化三钴/碳纤维复合材料的方法，具体按以下步骤进行：
(1)制备氢氧化钴/碳纤维前驱体：
将碳纤维切成2cm长的短纤维，然后用丙酮、乙醇和去离子水依次对碳纤维进行超声清洗0.5～1小时；
将3mmol硝酸钴和5mmol尿素溶于35mL水中，磁力搅拌(0.5～1)小时，然后倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，并加入1g的碳纤维；在120℃下反应12小时；
待冷却至室温后，取出氢氧化钴/碳纤维前驱体，分别用乙醇和水冲洗，在60℃下干燥12小时；
(2)制备四氧化三钴/碳纤维复合材料：
将氢氧化钴/碳纤维作为前驱体，放置在磁舟里；然后将装有样品的磁舟小心推入石英管炉中心，加热速率为2℃/min，加热至400℃，在空气中保持1小时；室温冷却后，得到了四氧化三钴/碳纤维。
图1为实施例1中经丙酮、乙醇和去离子水清洗后的碳纤维的SEM照片。由图可知，本实验中所用的碳纤维直径约7微米。
图2为实施例1中所述氢氧化钴/碳纤维的SEM照片。由图可知，碳纤维上的氢氧化钴片呈花团簇状，碳纤维被片状氢氧化钴完全包裹。
图4为实施例1所述四氧化三钴/碳纤维复合材料的SEM照片。由图可知，经过煅烧处理后，涂层厚度略有损失。氢氧化钴片在煅烧后已转变成尺寸约为100nm的纤维状。
图5为实施例1中所述四氧化三钴/碳纤维复合材料的XRD图谱。分析可知，第一强衍射峰对应于碳纤维(标准卡片号为JCPDS 75-1621)。其它衍射峰对应于四氧化三钴(标准卡片号为JCPDS 80-1542)。由此可知，经过水热和400℃热处理后，碳纤维表面形成了四氧化三钴。
图6为实施例1中所述氢氧化钴的TEM照片。由图可知，碳纤维表面制备的氢氧化钴呈片状。
实施例2
本实施例提供一种两步法制备四氧化三钴/碳纤维复合材料的方法，具体按以下步骤进行：
(1)制备氢氧化钴/碳纤维前驱体：
将碳纤维切成2cm长的短纤维，然后用丙酮、乙醇和去离子水依次对碳纤维进行超声清洗0.5～1小时；
将3mmol硝酸钴和5mmol尿素溶于35mL水中，磁力搅拌(0.5～1)小时，然后倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，并加入1g的碳纤维；在120℃下分别反应8小时；
待冷却至室温后，取出氢氧化钴/碳纤维前驱体，分别用乙醇和水冲洗，在60℃下干燥12小时；
(2)制备四氧化三钴/碳纤维复合材料：
将氢氧化钴/碳纤维作为前驱体，放置在磁舟里，然后将装有样品的磁舟小心推入石英管炉中心，加热速率为2℃/min，加热至400℃，在空气中保持1小时；室温冷却后，得到了四氧化三钴/碳纤维。
图3为实施例2中所述氢氧化钴/碳纤维的SEM照片。由图可知，碳纤维上的氢氧化钴片呈花团簇状，碳纤维没有完全被片状氢氧化钴包裹。
实施例3
本实施例提供一种两步法制备四氧化三钴/碳纤维复合材料的方法，与实施例1的区别在于：步骤(2)中，磁舟在石英管炉中心加热保温的温度为450℃。
实施例4
本实施例提供一种两步法制备四氧化三钴/碳纤维复合材料的方法，与实施例1的区别在于：步骤(2)中，磁舟在石英管炉中心加热保温的时间为2小时。
性能测试
将实施例所得四氧化三钴/碳纤维复合材料进行性能测试，结果如下：
表1
Figure BDA0002281786330000051
Figure BDA0002281786330000061
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种四氧化三钴/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)以水为溶剂，加入硝酸钴与尿素，搅拌，得到玫瑰色溶液，即生成氢氧化钴；继续加入碳纤维，反应得到氢氧化钴/碳纤维；
(2)以氢氧化钴/碳纤维为前驱体，煅烧，得到四氧化三钴/碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述硝酸钴与尿素的摩尔比为1：(1-5)，优选3:5。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述反应的条件为：温度110～130℃。
4.根据权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述碳纤维与所述硝酸钴的质量比为(1～2)：(1～4)。
5.根据权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，将所述氢氧化钴/碳纤维冲洗，并于55-65℃干燥8～12小时。
6.根据权利要求1-5任一所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述煅烧的条件为：温度350～450℃，优选400-450℃。
7.根据权利要求1-6任一所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，在所述煅烧过程中，加热速率为1-3℃/min；优选2℃/min。
8.权利要求1-7任一所述的制备方法得到的四氧化三钴/碳纤维复合材料。
9.根据权利要求8所述的四氧化三钴/碳纤维复合材料，其特征在于，所述四氧化三钴/碳纤维复合材料具有四氧化三钴包覆碳纤维的复合结构，其表面四氧化三钴呈尺寸为90-110nm的纤维状。
10.权利要求8或9所述四氧化三钴/碳纤维复合材料在轨道车辆、航空器中的应用。
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