[發明專利]連續碳纖維表面熱解碳/鎳復合涂層制備方法

有效

• 申請號: 201310093388.X
• 申請日: 2013-03-22
• 公開（公告）號: CN103160826A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 齊樂華;馬玉欽;周元彪;鄭武強;鞠錄巖;周計明
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C16/26;C23C18/18;C23C18/32
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

技術領域

本發明涉及一種材料技術領域，具體是一種連續碳纖維表面熱解碳/鎳復合涂層制備方法。

背景技術

碳纖維以其低的密度，近于零的熱膨脹系數，高的彈性模量和優異的力學性能使其受到越來越多人的研究和重視，用其作為增強體制備出的碳纖維增強鋁基復合材料具有高的比強度、比剛度、低的熱膨脹系數等優異性能。但因碳纖維表面光滑、表面能低、反應活性低，作為增強體制備鋁基復合材料時與基體的潤濕性差，較高溫度時還很容易與基體發生不良的界面反應，界面反應過多時容易引起鋁合金與碳纖維之間形成過強的界面結合，使制備出的復合材料受到拉伸載荷作用時產生脆性斷裂，導致復合材料的力學性能較低，制約其研究和推廣應用。在碳纖維表面進行涂層改性處理可以有效改善碳纖維與基體合金之間的潤濕性，提高復合材料的浸滲效果，并阻止不良界面反應的發生，合理控制碳纖維和鋁合金之間的界面結合力，從而使碳纖維增強鋁基復合材料的力學性能達到理想狀態。現有碳纖維表面的涂層材料主要有熱解碳（PyC）、二氧化硅（SiO₂）、碳化硅（SiC）、鎳（Ni）涂層等，通常采用化學氣相沉積（CVD）、溶膠凝膠法、化學鍍等方法制備。

中國專利公開號CN101705456B公布了一種在碳纖維表面化學鍍鎳涂層來制備碳纖維增強鎂基復合材料的方法，該方法可以增強碳纖維與基體之間的潤濕性，改善復合材料的浸滲效果和提高其力學性能。

經過文獻檢索發現，文獻“曾慶冰.溶膠-凝膠法TiO₂涂層碳纖維增強鋁基復合材料[J].金屬學報，1997,33（9）：1003-1009”采用溶膠-凝膠法在碳纖維表面制備出TiO₂涂層，進而制備出鋁基復合材料，TiO₂的熱膨脹系數介于碳纖維和鋁合金之間，用它作為過渡層，可以減少碳纖維、鋁合金之間由于熱膨脹系數不同帶來的界面熱應力，增進兩者的相容性，同時TiO₂的表面能較高，與鋁液的潤濕角優于碳、鋁之間，這就能夠改善碳纖維與鋁合金之間的潤濕性和界面結合性，并在一定程度上控制了復合材料的孔洞缺陷的產生。

然而，基于自身特點，上述所制備出的涂層有其自身應用范圍，鎳涂層雖可改善碳纖維與基體合金的潤濕性，但單獨作為涂層時容易在復合材料中生成不良的脆性相，文獻調研也表明，它對控制碳纖維與鋁合金之間的界面反應效果有限，溶膠-凝膠法雖可制備出適宜于做過渡層的并可改善潤濕性的TiO₂涂層，但通常情況下，整個溶膠－凝膠過程所需時間較多，周期較長，效率較低，且凝膠中存在大量微孔，在干燥過程中又將會逸出許多氣體及有機物，并產生收縮，也會對涂層結構產生不利影響，影響理想碳纖維增強金屬基復合材料的成功制備。

發明內容

為克服現有技術中存在的周期較長，效率較低，且凝膠中存在大量微孔，在干燥過程中逸出氣體及有機物對涂層結構產生不利影響，影響碳纖維增強金屬基復合材料的制備的不足，本發明提出了一種連續碳纖維表面熱解碳/鎳復合涂層制備方法。

本發明的具體過程是：

步驟1，在碳纖維表面沉積熱解碳涂層。采用常規的化學氣相沉積法沉積熱解碳涂層。涂層工藝參數為：N₂通入量為0.1～0.5m³/h，CH₄通入量為16-24L/h，沉積溫度為1000～1200℃，沉積時間為1～3小時，待化學氣相沉積爐冷卻至室溫后，取出碳纖維，得到表面制備有熱解碳涂層的碳纖維。

步驟2，表面化學鍍鎳預處理。對沉積過熱解碳涂層的碳纖維進行表面化學鍍鎳預處理，具體是：

第一步，對得到的表面制備有熱解碳涂層的碳纖維進行粗化處理。將碳纖維放入H₂SO₄：HNO₃=3:1的混酸溶液中粗化處理1～2個小時；所述H₂SO₄與HNO₃的比例均為體積比。

第二步，對粗化后的碳纖維進行中和處理。將粗化后的碳纖維放入質量比為10～20%的NaOH溶液中浸泡10～20min，并不斷地用玻璃棒攪拌，以除去碳纖維表面的混酸；用蒸餾水清洗碳纖維至中性。

第三步，對中和后的碳纖維進行敏化處理。將SnCl₂溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10～20g/L，配制成敏化液，再將經過中和處理的碳纖維在室溫下放入該溶液中浸泡20～30min。