[發明專利]一種提高碳纖維抗拉強度的方法

無效

• 申請號: 201210506705.1
• 申請日: 2012-12-03
• 公開（公告）號: CN103015155A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 康衛民;程博聞;焦瓏;徐志偉;莊旭品;夏磊;李磊
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: D06M10/02
• 分類號: D06M10/02;D06M11/74;D06C7/00;D06M101/40
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技術領域

本發明涉及一種提高碳纖維抗拉強度的方法，特別涉及采用改進電霧化沉積法將碳納米管修復碳纖維表面結構缺陷進而提高碳纖維抗拉強度的方法。?

背景技術

碳纖維幾乎可被認為是迄今為止比強度和比模量最高的非金屬材料，除了優異的力學性能外，它還兼具其他多種優良性能，如低密度耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高熱導、低熱膨脹、耐輻射等，已成為航空航天領域不可缺少的先進復合材料的增強材料，在交通運輸、能源、體育運動器材、土木建筑等領域也有廣泛的應用前景。然而，現有碳纖維產品的強度與彈性模量實際上與理論值存在很大差距，以拉伸強度為例，一般僅為理論值的3～5％。導致這種現象的根本原因是碳纖維普遍存在結構缺陷，特別如丙烯腈基的碳纖維因其原絲以溶液紡絲法制備，纖維在凝固成形的同時伴隨溶劑的逸出，最終制得的碳纖維結構缺陷尤為嚴重。碳纖維的結構缺陷包括內部缺陷(如空洞)和表面缺陷(如凹陷和裂紋)，而表面缺陷是造成強度下降的主要因素，其權重甚至可達90％。?

現有技術中，人們較多地通過提高原絲質量、改進預氧化和碳化工藝等以期減少結構缺陷的形成，但就碳纖維產品強度實際值與理論值差距的改善比例而言收效甚微。“Nanotube?composite?carbon?fibers”[《Applied?Physics?Letters》1999，75(7)，P1329～1334]一文公開了一種采用共混紡絲法將單壁碳納米管混入原絲制備瀝青基碳纖維的方法，以提高碳纖維的力學性能和電性能，據稱含5wt.％單壁碳納米管的瀝青基復合碳纖維拉伸強度和彈性模量分別提高了90％和150％。然而該方法主要彌補了碳纖維內部結構缺陷，對表面結構缺陷的彌補作用有限。另外，碳納米管的表面能極大，要均勻地分散于紡絲原液中絕非易事，故難以實現大規模的工業化應用。另外也可見“后期修復”的嘗試，如中國專利申請03137023.3公開了一種高強度碳纖維的制造方法，它將CH₄和Ar以一定配比通入等離子發生器，遂將碳纖維通過等離子體高溫區，在碳纖維進行石墨化的同時，甲烷在高溫電弧等離子體的作用下裂解產生離子碳滲碳至碳纖維表面和內部，從而彌補其結構缺陷。非常可喜的是它對碳纖維表面結構缺陷修復的針對性較強，但顯然這種方法的“修復”效率不夠理想，工業化應用的成本會較高。程博聞等在中國專利申請號201010211436.7、?201010211437.1、201010211410.2等中公開了一種采用靜電噴涂碳納米管的方法來增加碳纖維的強度，該方法工藝簡單，碳纖維強度提高100％以上。但該技術存在不足在于：靜電噴涂過程中僅有部分碳納米管進入碳纖維的表面結構缺陷中(徑向射入)，絕大部分碳納米管覆蓋在碳纖維表面，影響增強效果。?

發明內容

本發明提供了一種提高碳纖維抗拉強度的方法，它采用了碳納米管后修復碳纖維表面結構缺陷，進而增加碳纖維的強度。效果和效率均十分理想，適于工業化實施，較好地解決了現有技術存在的技術問題，同時大大降低了碳納米管的用量。?

以下是本發明具體的技術方案：?

一種提高碳纖維抗拉強度的方法，它采用改進電霧化沉積法將碳納米管植入于碳纖維的表面結構缺陷進而增加其強度。該方法包括以下過程：?

1)碳纖維電暈放電處理：將預氧化、炭化后的碳纖維束1通過傳送帶6傳送至高壓電暈放電區進行電暈放電處理，電暈放電裝置包括高壓電源2、尖端放電裝置3和接地電極板4組成，其中高壓電源2為負電發生器，其負極通過導線21與尖端放電裝置3相連，正極通過導線22接地；通過控制傳送帶6的行進速度5～30m/h，高壓電源2的電暈放電電壓-5～-30kV，放電距離(尖端放電裝置3和接地電極板4間距)為1～5cm；?

2)碳納米管懸浮液配置：將碳納米管與有機溶劑配制成均一穩定懸浮液，有機溶劑為二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、四氫呋喃或乙醇中的一種，懸浮液中碳納米管的含量為10～60g/L；?