[發(fā)明專利]炭納米管對中國產(chǎn)聚丙烯腈基炭纖維界面的改性方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910093956.X
• 申請日: 2009-09-23
• 公開（公告）號: CN101671951A
• 公開（公告）日: 2010-03-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅瑞盈;徐妮;李進(jìn)松
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;D06M101/40
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明提供一種炭納米管對中國產(chǎn)聚丙烯腈基炭纖維界面的改性方法，屬 于炭/炭復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

炭/炭(C/C)復(fù)合材料由于其具有良好的耐燒蝕性能、熱物理性能、摩擦 磨損性能和高溫力學(xué)性能，已被成功地用于戰(zhàn)略核武器的導(dǎo)彈鼻錐、火箭發(fā)動 機(jī)的噴管喉襯和飛機(jī)剎車盤等航空航天領(lǐng)域。把C/C復(fù)合材料作為高溫長時間 使用的結(jié)構(gòu)材料，用于制造航空發(fā)動機(jī)熱端部件，是目前世界上先進(jìn)國家研究 和發(fā)展的方向，世界各發(fā)達(dá)國家研究新一代高推比航空發(fā)動機(jī)無一不是把C/C 復(fù)合材料作為高溫關(guān)鍵材料來考慮的。我國新型航空發(fā)動機(jī)，擬選用這種材料 制造噴口密封片、調(diào)節(jié)片、內(nèi)錐體等零件，并逐步應(yīng)用于核心機(jī)受力轉(zhuǎn)動件上， 如渦輪葉片、盤等。作為高溫結(jié)構(gòu)C/C復(fù)合材料，要求同時具有高的力學(xué)和熱 物理性能，以及良好的抗氧化等性能。為了提高其力學(xué)性能，一方面使用高性 能的炭纖維，但從性能而言，國產(chǎn)聚丙烯腈基炭纖維強(qiáng)度低，均勻性、穩(wěn)定性 差，毛絲多(斷頭率為國外產(chǎn)品的6倍)，品種單一且生產(chǎn)成本較高，僅僅只能 在耐燒蝕功能性復(fù)合材料(對強(qiáng)度要求低)和某些民用制品上使用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿 足我國發(fā)展國防高技術(shù)武器的需要，大大限制了我國高技術(shù)戰(zhàn)略武器系統(tǒng)的更 新?lián)Q代；另一方面要采用優(yōu)化的編織技術(shù)和良好的復(fù)合工藝，即使如此這一要 求仍難以滿足。因此提高力學(xué)性能問題已成為制備國產(chǎn)炭纖維增強(qiáng)炭基復(fù)合材 料的關(guān)鍵問題之一。

炭納米管同時具有高強(qiáng)度、高彈性和高剛度等優(yōu)異特性，使得人們對其增 強(qiáng)復(fù)合材料充滿了期待，并認(rèn)為將是炭納米纖維最具前途的應(yīng)用領(lǐng)域，由于炭 納米管的端面碳五元環(huán)的存在，增強(qiáng)了它的反應(yīng)活性，在外界高溫和其他反應(yīng) 物質(zhì)存在的條件下，極易被其它組元浸潤，并形成復(fù)合材料。將炭納米管作為 增強(qiáng)劑，研究質(zhì)量輕、高強(qiáng)度和韌性的炭納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已成為是近年來新 材料研制的一個熱點(diǎn)，人們發(fā)現(xiàn)，在聚合物基、金屬基、陶瓷基復(fù)合材料中加 入炭納米管后，能提高材料的機(jī)械性能和電性能。因此，該技術(shù)的核心是研制 出炭納米管改性國產(chǎn)炭纖維界面的技術(shù)，以制備出具有高力學(xué)性能、良好熱物 理性能的C/C復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于提供一種炭納米管對中國產(chǎn)聚丙烯腈基炭纖維界面的改 性方法，以制備高力學(xué)性能，高熱物理性能和摩擦磨損性能的炭納米管增強(qiáng)C/C 復(fù)合材料。

本發(fā)明的技術(shù)方案分為以下幾部分：國產(chǎn)聚丙烯腈基炭纖維表面處理、原 位生長有炭納米管的國產(chǎn)聚丙烯腈基炭纖維預(yù)制體的制備、預(yù)制體的致密化、 高溫?zé)崽幚怼Ｈ鐖D1所示，其具體步驟如下：

1、國產(chǎn)聚丙烯腈基炭纖維表面處理

預(yù)制體采用聚丙烯腈基國產(chǎn)炭纖維針刺氈，尺寸為10×10×100mm，在采 用原位生長法在表面生長炭納米管之前，針刺氈預(yù)制體首先在600～800℃處理 除去炭纖維表面的膠體，然后用硝酸和硫酸的混合酸(其中，硫酸和硝酸的體 積比為：硫酸∶硝酸＝3∶1，其中硫酸純度為分析純，硝酸的純度為68％)對炭纖 維預(yù)制體進(jìn)行預(yù)處理(60～80℃，30～60min)以除去纖維表面雜質(zhì)，提高炭纖維 活性，接著用蒸餾水反復(fù)浸洗至中性后干燥。

2、原位生長有炭納米管的國產(chǎn)炭纖維預(yù)制體的制備

將步驟1預(yù)處理后的炭纖維針刺預(yù)制體放在催化劑前驅(qū)體——硝酸鎳的乙 醇溶液中，(硝酸鎳的濃度為5～10wt.％)，浸漬12小時后取出樣品在不斷翻動 的情況下陰干，然后放入化學(xué)氣相沉積爐(如圖2所示)內(nèi)通入氬氣作為保護(hù) 氣體，升溫至450℃，并在此溫度下在氬氣氣氛中鍛燒1小時，接著停止氬氣， 通入氫氣并在450℃的溫度下氫氣氣氛中還原1小時后即得加載有鎳催化劑的 炭纖維預(yù)制體，如圖3所示；這時停止氫氣，通入氬氣，繼續(xù)升溫至750±1℃， 關(guān)掉氬氣保護(hù)氣體，通入甲烷(120mL/min)/氫氣(150mL/min)混合氣體， 反應(yīng)30分鐘，然后關(guān)掉化學(xué)氣相沉積爐，同時關(guān)掉甲烷/氫氣，接著通入氬氣 保護(hù)氣冷卻到室溫，即得到原位生長有炭納米管改性國產(chǎn)聚丙烯腈基炭纖維預(yù) 制體。

3、預(yù)制體的致密化

采用化學(xué)氣相滲積工藝對步驟2得到的炭納米管改性國產(chǎn)聚丙烯腈基炭 纖維預(yù)制體致密化，具體工藝如下：