專利名稱：連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法。
背景技術(shù)：
碳纖維以其低的密度，近于零的熱膨脹系數(shù)，高的彈性模量和優(yōu)異的力學(xué)性能使其受到越來(lái)越多人的研究和重視，用其作為增強(qiáng)體制備出的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比剛度、低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能。但因碳纖維表面光滑、表面能低、反應(yīng)活性低，作為增強(qiáng)體制備鋁基復(fù)合材料時(shí)與基體的潤(rùn)濕性差，較高溫度時(shí)還很容易與基體發(fā)生不良的界面反應(yīng)，界面反應(yīng)過(guò)多時(shí)容易引起鋁合金與碳纖維之間形成過(guò)強(qiáng)的界面結(jié)合，使制備出的復(fù)合材料受到拉伸載荷作用時(shí)產(chǎn)生脆性斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能較低，制約其研究和推廣應(yīng)用。在碳纖維表面進(jìn)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(rùn)濕性，提高復(fù)合材料的浸滲效果，并阻止不良界面反應(yīng)的發(fā)生，合理控制碳纖維和鋁合金之間的界面結(jié)合力，從而使碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到理想狀態(tài)。現(xiàn)有碳纖維表面的涂層材料主要有熱解碳(PyC)、二氧化硅(Si02)、碳化硅(SiC)、鎳(Ni)涂層等，通常采用化學(xué)氣相沉 積(CVD)、溶膠凝膠法、化學(xué)鍍等方法制備。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN101705456B公布了一種在碳纖維表面化學(xué)鍍鎳涂層來(lái)制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的方法，該方法可以增強(qiáng)碳纖維與基體之間的潤(rùn)濕性，改善復(fù)合材料的浸滲效果和提高其力學(xué)性能。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)“曾慶冰.溶膠-凝膠法TiO2涂層碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料[J].金屬學(xué)報(bào)，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(jìn)而制備出鋁基復(fù)合材料，TiO2的熱膨脹系數(shù)介于碳纖維和鋁合金之間，用它作為過(guò)渡層，可以減少碳纖維、鋁合金之間由于熱膨脹系數(shù)不同帶來(lái)的界面熱應(yīng)力，增進(jìn)兩者的相容性，同時(shí)TiO2的表面能較高，與鋁液的潤(rùn)濕角優(yōu)于碳、鋁之間，這就能夠改善碳纖維與鋁合金之間的潤(rùn)濕性和界面結(jié)合性，并在一定程度上控制了復(fù)合材料的孔洞缺陷的產(chǎn)生。然而，基于自身特點(diǎn)，上述所制備出的涂層有其自身應(yīng)用范圍，鎳涂層雖可改善碳纖維與基體合金的潤(rùn)濕性，但單獨(dú)作為涂層時(shí)容易在復(fù)合材料中生成不良的脆性相，文獻(xiàn)調(diào)研也表明，它對(duì)控制碳纖維與鋁合金之間的界面反應(yīng)效果有限，溶膠-凝膠法雖可制備出適宜于做過(guò)渡層的并可改善潤(rùn)濕性的TiO2涂層，但通常情況下，整個(gè)溶膠一凝膠過(guò)程所需時(shí)間較多，周期較長(zhǎng)，效率較低，且凝膠中存在大量微孔，在干燥過(guò)程中又將會(huì)逸出許多氣體及有機(jī)物，并產(chǎn)生收縮，也會(huì)對(duì)涂層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，影響理想碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成功制備。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的周期較長(zhǎng)，效率較低，且凝膠中存在大量微孔，在干燥過(guò)程中逸出氣體及有機(jī)物對(duì)涂層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，影響碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備的不足，本發(fā)明提出了一種連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法。本發(fā)明的具體過(guò)程是:步驟1，在碳纖維表面沉積熱解碳涂層。采用常規(guī)的化學(xué)氣相沉積法沉積熱解碳涂層。涂層工藝參數(shù)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°C，沉積時(shí)間為1 3小時(shí)，待化學(xué)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(xué)鍍鎳預(yù)處理。對(duì)沉積過(guò)熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳預(yù)處理，具體是:第一步，對(duì)得到的表面制備有熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行粗化處理。將碳纖維放入H2SO4:HN03=3:1的混酸溶液中粗化處理I 2個(gè)小時(shí)；所述H2SO4與HNO3的比例均為體積比。第二步，對(duì)粗化后的碳纖維進(jìn)行中和處理。將粗化后的碳纖維放入質(zhì)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(duì)中和后的碳纖維進(jìn)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(jīng)過(guò)中和處理的碳纖維在室溫下放入該溶液中浸泡20 30mino第四步，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維進(jìn)行活化處理，將2 5g硝酸銀溶于IOOml的蒸餾水中，得到硝酸銀溶液。將所述的硝酸銀溶液用蒸餾水稀釋至1L，配制成活化溶液。在室溫下將經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維放入得到的活化溶液中活化10 30min，得到經(jīng)過(guò)活化處理的碳纖維。第五步，對(duì)活化后的碳纖維進(jìn)行還原處理，將SnCl2溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10 20g/L，得到敏化液；將經(jīng)過(guò)活化處理的碳纖維浸入次磷酸鈉的溶液中，在室溫下機(jī)械攪拌I 5min，得到表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維，取出備用。步驟3，制備化學(xué)鍍鎳溶液所述化學(xué)鍍鎳溶液由A溶液和B溶液混合并攪拌均勻后，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)PH值而成。其中A溶液是將30 50g/L硫酸鎳溶液、18 30g/L醋酸鈉溶液和30 40g/L硫酸銨溶液分別依次混合并攪拌均勻配制而成。B溶液是將36 50g/L次亞磷酸鈉溶液和10 20g/L檸檬酸三鈉溶液混合并攪拌均勻配制而成。將A溶液與B溶液混合均勻；調(diào)節(jié)由A溶液與B溶液配制的混合溶液的PH值至4.5 6.5，得到化學(xué)鍍鎳溶液。配制混合溶液A時(shí)，先將硫酸鎳溶液與醋酸鈉溶液混合并攪拌均勻后，再加入硫酸銨溶液混合并攪拌均勻。步驟4，碳纖維表面化學(xué)鍍鎳涂層。將得到的碳纖維化學(xué)鍍鎳溶液置浴溫度為85 95°C恒溫浴水箱內(nèi)，將表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維放置在施鍍?nèi)芤褐校?jīng)過(guò)5 ISmin進(jìn)行化學(xué)施鍍并烘干，得到制備有熱解碳/鎳復(fù)合涂層的碳纖維。本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在無(wú)緯碳纖維布內(nèi)的碳纖維表面制備熱解碳涂層，熱解碳涂層厚度在0.03-0.1 u m之間，再采用化學(xué)鍍法在制備有熱解碳涂層的碳纖維表面制備鎳涂層，通過(guò)控制碳纖維在化學(xué)鍍鎳溶液(施鍍?nèi)芤?中的反應(yīng)時(shí)間，使鎳涂層厚度在0.02-0.1 u m之間，從而獲得含有熱解碳/鎳復(fù)合涂層的碳纖維，復(fù)合涂層的厚度在0.05-0.2 u m 之間。 本發(fā)明為解決單獨(dú)使用鎳涂層易在復(fù)合材料中生成不良的脆性相，且界面結(jié)合難以有效控制，使用溶膠-凝膠法制備涂層周期長(zhǎng)，涂層中易產(chǎn)生微孔的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)碳纖維與基體潤(rùn)濕性得到改善，且使兩者之間有過(guò)渡層存在，以避免由于熱膨脹系數(shù)不匹配而帶來(lái)的復(fù)合材料孔洞缺陷的產(chǎn)生，有效地提高復(fù)合材料制備效果。具體是在碳纖維表面先通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備出的熱解碳涂層可以保護(hù)碳纖維不被損傷破壞，并且可以控制碳纖維和基體合金之間的界面結(jié)合性。在此基礎(chǔ)上又通過(guò)化學(xué)鍍法可以制備出厚度可控，均勻的鎳涂層，能夠改善碳纖維與鋁合金之間的潤(rùn)濕性，大大提高碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的均勻化浸滲效果。并且鎳涂層的熱膨脹系數(shù)介于碳纖維和鋁合金之間，可以減少兩者的界面熱應(yīng)力，控制復(fù)合材料凝固時(shí)由于熱膨脹系數(shù)不匹配帶來(lái)的孔洞等缺陷，發(fā)揮出熱解碳涂層和鎳涂層的綜合優(yōu)勢(shì)，為理想碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的成功制備做好前提準(zhǔn)備。本發(fā)明首先在碳纖維表面用CVD法制備出的熱解碳涂層，該涂層是一種良好的抗氧化涂層，碳纖維在300°C以上時(shí)容易發(fā)生氧化，有了該涂層的存在可以較好地防止纖維被氧化，同時(shí)涂層包覆在碳纖維的表面，起到傳遞載荷的作用，可以有效地保護(hù)碳纖維不被損傷破壞。同時(shí)，碳纖維與鋁合金之間本身容易發(fā)生較嚴(yán)重的界面反應(yīng)，在碳纖維與鋁合金之間有熱解碳涂層的存在，由于熱解碳的微觀結(jié)構(gòu)更趨于石墨化，石墨化纖維一般不易與鋁合金發(fā)生界面反應(yīng)，這就能夠在一定程度上減少碳纖維與鋁合金之間的過(guò)多不良界面反應(yīng)的發(fā)生，調(diào)節(jié)碳纖維和鋁合金之間界面結(jié)合性。通過(guò)化學(xué)鍍法制備出均勻的鎳涂層，克服傳統(tǒng)溶膠凝膠等常見(jiàn)涂層制備方法周期長(zhǎng)和效率低、涂層中間有微孔等的不足，通常整個(gè)溶膠一凝膠過(guò)程所需時(shí)間特別是陳化時(shí)間需要幾天甚至幾周，而本發(fā)明中的化學(xué)鍍鎳過(guò)程一般可以在一天甚至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以完成。同時(shí)，由于鎳和鋁合金之間的潤(rùn)濕性明顯優(yōu)于碳纖維與鋁合金之間的潤(rùn)濕性，這樣碳纖維表面的鎳涂層就可以改善碳纖維與鋁合金之間的潤(rùn)濕效果，同等工藝條件下，可提高碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的均勻化浸滲效果。此外，鎳涂層的熱膨脹系數(shù)介于碳纖維和鋁合金之間，可以在兩者之間很好地發(fā)揮應(yīng)力的緩沖作用，從而可以減少兩者的界面熱應(yīng)力，控制復(fù)合材料凝固時(shí)由于熱膨脹系數(shù)不匹配帶來(lái)的孔洞等缺陷的出現(xiàn)，適宜于理想碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備。附圖2中給出了制備有復(fù)合涂層的碳纖維表面涂層的EDS分析結(jié)果，從元素分布情況可以看出，在碳纖維表面制備得到了含有熱解碳/鎳的復(fù)合涂層。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)和驗(yàn)證，采用壓力浸滲法，運(yùn)用本發(fā)明中的復(fù)合涂層所制備的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，浸滲效果良好，沒(méi)有明顯的孔洞缺陷，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與基體鋁合金相比提高了 60%以上。


圖1為本發(fā)明的流程圖。圖2為本發(fā)明所制備的熱解碳/鎳復(fù)合涂層的EDS分析結(jié)果，表明在碳纖維表面制備得到了含有熱解碳/鎳復(fù)合涂層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本實(shí)施例是一種連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法，實(shí)施例中所用碳纖維為12K的1700碳纖維。本實(shí)施例的具體步驟為:步驟I，在碳纖維表面沉積熱解碳涂層。將12K的1700碳纖維安放在化學(xué)氣相沉積爐內(nèi)，采用常規(guī)的化學(xué)氣相沉積法沉積熱解碳涂層。涂層工藝參數(shù)為:隊(duì)通入量為0.1
0.5m3/h, CH4通入量為16-24L/h，沉積溫度為1000 1200°C，沉積時(shí)間為I 3小時(shí)，待化學(xué)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。本實(shí)施例中，N2通入量為0.lm3/h, CH4通入量為18L/h，沉積溫度為1000°C，沉積時(shí)間為I小時(shí)。步驟2，對(duì)沉積過(guò)熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳預(yù)處理具體是:第一步，對(duì)得到的表面制備有熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行粗化處理。將碳纖維放入H2SO4:HN03=3:1的混酸溶液中粗化處理I 2個(gè)小時(shí)；所述H2SO4與HNO3的比例為體積比。本實(shí)施例中，粗化處理的時(shí)間為I小時(shí)。第二步，對(duì)粗化后的碳纖維進(jìn)行中和處理。將粗化后的碳纖維放入質(zhì)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，然后用蒸餾水洗至中性。本實(shí)施例中，NaOH溶液的濃度為15%，碳纖維在NaOH溶液中浸泡時(shí)間為IOmin。第三步，對(duì)中和后的碳纖維進(jìn)行敏化處理。將購(gòu)買(mǎi)來(lái)的SnCl2溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10 20g/L，稀釋過(guò)程中要用玻璃棒不斷地機(jī)械攪拌使其均勻，從而配制成敏化液，再將經(jīng)過(guò)中和處理的碳纖維在室溫下放入該溶液中浸泡20 30min。本實(shí)施例中，311(:12溶液用蒸餾水稀釋后的濃度為10g/L，敏化處理的時(shí)間為20min。第四步，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維進(jìn)行活化處理，將稱量好的硝酸銀2 5g溶于100ml的蒸餾水中，得到高濃度的硝酸銀溶液。將配置好的高濃度的硝酸銀溶液用蒸餾水稀釋至1L，配制成活化溶液。在室溫下將經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維放入得到的活化溶液中活化10 30min，得到經(jīng)過(guò)活化處理的碳纖維。本實(shí)施例中，硝酸銀的用量為3g，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理的碳纖維進(jìn)行活化的時(shí)間為15min。第五步，對(duì)活化后的碳纖維進(jìn)行還原處理，將購(gòu)買(mǎi)來(lái)的SnCl2溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10 20g/L，稀釋過(guò)程中要用玻璃棒不斷地?cái)嚢枋蛊渚鶆颍瑥亩渲泼艋海瑢⒔?jīng)過(guò)活化處理的碳纖維浸入次磷酸鈉的溶液中，在室溫下機(jī)械攪拌I 5min，得到表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維，取出備用。本實(shí)施例中，SnCl2溶液的濃度為10g/L，機(jī)械攪拌的時(shí)間為5min。步驟3，化學(xué)鍍鎳溶液是由A溶液和B溶液混合并機(jī)械攪拌均勻，并經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)PH值而成。其中A溶液是將30 50g/L硫酸鎳溶液、18 30g/L醋酸鈉溶液和30 40g/L硫酸銨溶液分別依次混合均勻配制而成。B溶液是由36 50g/L次亞磷酸鈉溶液和10 20g/L檸檬酸三鈉溶液混合并機(jī)械攪拌均勻配制而成。將A溶液和B溶液混合均勻。鹽酸調(diào)節(jié)由A溶液和B溶液的混合溶液的PH值為4.5 6.5，得到化學(xué)鍍鎳溶液。再配制A溶液時(shí)，先將硫酸鎳溶液與醋酸鈉溶液混合并攪拌均勻后，再加入硫酸銨溶液混合并攪拌均勻。本實(shí)施例中，所述硫酸鎳為30g/L，醋酸鈉為18g/L，硫酸銨為30g/L ;所述次亞磷酸鈉為36g/L，檸檬酸三鈉為15g/L ;碳纖維化學(xué)鍍鎳溶液的PH值為4.8。步驟4，碳纖維表面化學(xué)鍍鎳涂層。將得到的碳纖維化學(xué)鍍鎳溶液放置在恒溫浴水箱，并使所述恒溫浴水箱的溫度保持在85 95°C，將表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維放置在施鍍?nèi)芤褐校?jīng)過(guò)5 18min進(jìn)行化學(xué)施鍍，施鍍完成以后，從溶液中取出并烘干，得到制備有熱解碳/鎳復(fù)合涂層的碳纖維。本實(shí)施例中，恒溫浴水箱的溫度為85°C ;化學(xué)施鍍的時(shí)間為15min。

實(shí)施例2本實(shí)施例是一種連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法，實(shí)施例中所用碳纖維為3K的T300碳纖維。本實(shí)施例的具體步驟為:步驟I，在碳纖維表面沉積熱解碳涂層。將3K的T300碳纖維安放在化學(xué)氣相沉積爐內(nèi)，采用常規(guī)的化學(xué)氣相沉積法沉積熱解碳涂層。涂層工藝參數(shù)為:隊(duì)通入量為0.1
0.5m3/h, CH4通入量為16-24L/h，沉積溫度為1000 1200°C，沉積時(shí)間為I 3小時(shí)，待化學(xué)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。本實(shí)施例中，N2通入量為0.3m3/h, CH4通入量為20L/h，沉積溫度為1050°C，沉積時(shí)間為1.5小時(shí)。步驟2，對(duì)沉積過(guò)熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳預(yù)處理具體是，第一步，對(duì)得到的表面制備有熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行粗化處理。將碳纖維放入H2SO4:HN03=3:1的混酸溶液中粗化處理I 2個(gè)小時(shí)；所述H2SO4與HNO3的比例為體積比。本實(shí)施例中，粗化處理的時(shí)間為1.5小時(shí)。第二步，對(duì)粗化后的碳纖維進(jìn)行中和處理。將粗化后的碳纖維放在質(zhì)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，然后用蒸餾水洗至中性。本實(shí)施例中，NaOH溶液的濃度為15%，碳纖維在NaOH溶液中浸泡時(shí)間為15min。第三步，對(duì)中和后的碳纖維進(jìn)行敏化處理。將購(gòu)買(mǎi)來(lái)的SnCl2溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10 20g/L，稀釋過(guò)程中要用玻璃棒不斷地機(jī)械攪拌使其均勻，從而配制成敏化液，再將經(jīng)過(guò)中和處理的碳纖維在室溫下放入該溶液中20 30min。本實(shí)施例中，SnCl2溶液用蒸餾水稀釋后的濃度為15g/L，敏化處理的時(shí)間為25min。第四步，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維進(jìn)行活化處理，將稱量好的硝酸銀2 5g溶于IOOml的蒸餾水中，得到高濃度的硝酸銀溶液。將配置好的高濃度的硝酸銀溶液用蒸餾水稀釋至1L，配制成活化溶液。在室溫下將經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維放入得到的活化溶液中活化10 30min，得到經(jīng)過(guò)活化處理的碳纖維。本實(shí)施例中，硝酸銀的用量為4g，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理的碳纖維進(jìn)行活化的時(shí)間為20min。第五步，對(duì)活化后的碳纖維進(jìn)行還原處理，將購(gòu)買(mǎi)來(lái)的SnCl2溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10 20g/L，稀釋過(guò)程中要用玻璃棒不斷地?cái)嚢枋蛊渚鶆颍瑥亩渲泼艋海瑢⒔?jīng)過(guò)活化處理的碳纖維浸入次磷酸鈉的溶液中，在室溫下機(jī)械攪拌I 5min，得到表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維，取出備用。本實(shí)施例中，SnCl2溶液的濃度為15g/L，機(jī)械攪拌的時(shí)間為5min。
步驟3，化學(xué)鍍鎳溶液是由A溶液和B溶液混合并機(jī)械攪拌均勻，并經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)PH值rfu 。其中A溶液是將30 50g/L硫酸鎳溶液、18 30g/L醋酸鈉溶液和30 40g/L硫酸銨溶液分別依次混合均勻配制而成。B溶液是由36 50g/L次亞磷酸鈉溶液和10 20g/L檸檬酸三鈉溶液混合并機(jī)械攪拌均勻配制而成。將A溶液和B溶液混合均勻。鹽酸調(diào)節(jié)由A溶液和B溶液的混合溶液的PH值為4.5 6.5，得到化學(xué)鍍鎳溶液。再配制A溶液時(shí)，先將硫酸鎳溶液與醋酸鈉溶液混合并攪拌均勻后，再加入硫酸銨溶液混合并攪拌均勻。本實(shí)施例中，所述硫酸鎳為40g/L，醋酸鈉為25g/L，硫酸銨為35g/L ;所述次亞磷酸鈉為40g/L，檸檬酸三鈉為15g/L ;碳纖維化學(xué)鍍鎳溶液的PH值為5。步驟4，碳纖維表面化學(xué)鍍鎳涂層。將得到的碳纖維化學(xué)鍍鎳溶液放置在恒溫浴水箱，并使所述恒溫浴水箱的溫度保持在85 95°C，將表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維放置在施鍍?nèi)芤褐校?jīng)過(guò)5 18min進(jìn)行化學(xué)施鍍，施鍍完成以后，從溶液中取出并烘干，得到制備有熱解碳/鎳復(fù)合涂層的碳纖維。本實(shí)施例中，恒溫浴水箱的溫度為85°C ;化學(xué)施鍍的時(shí)間為lOmin。實(shí)施例3本實(shí)施例是一種連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法，實(shí)施例中所用碳纖維為6K的1700碳纖維。本實(shí)施例的具體步驟為:
步驟I，在碳纖維表面沉積熱解碳涂層。將6K的1700碳纖維安放在化學(xué)氣相沉積爐內(nèi)，采用常規(guī)的化學(xué)氣相沉積法沉積熱解碳涂層。涂層工藝參數(shù)為:隊(duì)通入量為0.1
0.5m3/h, CH4通入量為16-24L/h，沉積溫度為1000 1200°C，沉積時(shí)間為I 3小時(shí)，待化學(xué)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。本實(shí)施例中，N2通入量為0.5m3/h, CH4通入量為24L/h，沉積溫度為1100°C，沉積時(shí)間為2小時(shí)。步驟2，對(duì)沉積過(guò)熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳預(yù)處理具體是:第一步，對(duì)得到的表面制備有熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行粗化處理。將碳纖維放入H2SO4:HN03=3:1的混酸溶液中粗化處理I 2個(gè)小時(shí)；所述H2SO4與HNO3的比例為體積比。本實(shí)施例中，粗化處理的時(shí)間為2小時(shí)。第二步，對(duì)粗化后的碳纖維進(jìn)行中和處理。將粗化后的碳纖維放在質(zhì)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，然后用蒸餾水洗至中性。本實(shí)施例中，NaOH溶液的濃度為20%，碳纖維在NaOH溶液中浸泡時(shí)間為20min。第三步，對(duì)中和后的碳纖維進(jìn)行敏化處理。將購(gòu)買(mǎi)來(lái)的SnCl2溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10 20g/L，稀釋過(guò)程中要用玻璃棒不斷地機(jī)械攪拌使其均勻，從而配制成敏化液，再將經(jīng)過(guò)中和處理的碳纖維在室溫下放入該溶液中20 30min。本實(shí)施例中，SnCl2溶液用蒸餾水稀釋后的濃度為20g/L，敏化處理的時(shí)間為30min。第四步，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維進(jìn)行活化處理，將稱量好的硝酸銀2 5g溶于IOOml的蒸餾水中，得到高濃度的硝酸銀溶液。將配置好的高濃度的硝酸銀溶液用蒸餾水稀釋至1L，配制成活化溶液。在室溫下將經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維放入得到的活化溶液中活化10 30min，得到經(jīng)過(guò)活化處理的碳纖維。本實(shí)施例中，硝酸銀的用量為5g，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理的碳纖維進(jìn)行活化的時(shí)間為25min。第五步，對(duì)活化后的碳纖維進(jìn)行還原處理，將購(gòu)買(mǎi)來(lái)的SnCl2溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10 20g/L，稀釋過(guò)程中要用玻璃棒不斷地?cái)嚢枋蛊渚鶆颍瑥亩渲泼艋海瑢⒔?jīng)過(guò)活化處理的碳纖維浸入次磷酸鈉的溶液中，在室溫下機(jī)械攪拌I 5min，得到表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維，取出備用。本實(shí)施例中，SnCl2溶液的濃度為10g/L，機(jī)械攪拌的時(shí)間為2min。步驟3，化學(xué)鍍鎳溶液是由A溶液和B溶液混合并機(jī)械攪拌均勻，并經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)PH值而成。其中A溶液是將30 50g/L硫酸鎳溶液、18 30g/L醋酸鈉溶液和30 40g/L硫酸銨溶液分別依次混合均勻配制而成。B溶液是由36 50g/L次亞磷酸鈉溶液和10 20g/L檸檬酸三鈉溶液混合并機(jī)械攪拌均勻配制而成。將A溶液和B溶液混合均勻。鹽酸調(diào)節(jié)由A溶液和B溶液的混合溶液的PH值為4.5 6.5，得到化學(xué)鍍鎳溶液。再配制A溶液時(shí)，先將硫酸鎳溶液與醋酸鈉溶液混合并攪拌均勻后，再加入硫酸銨溶液混合并攪拌均勻。本實(shí)施例中，所述硫酸鎳為50g/L，醋酸鈉為30g/L，硫酸銨為40g/L ;所述次亞磷酸鈉為50g/L，檸檬酸三鈉為20g/L ;碳纖維化學(xué)鍍鎳溶液的PH值為6。步驟4，碳纖維表面化學(xué)鍍鎳涂層。將得到的碳纖維化學(xué)鍍鎳溶液放置在恒溫浴水箱，并使所述恒溫浴水箱的溫度保持在85 95°C，將表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維放置在施鍍?nèi)芤褐校?jīng)過(guò)5 18min進(jìn)行化學(xué)施鍍，施鍍完成以后，從溶液中取出并烘干，得到制備有熱解碳/鎳復(fù)合涂層的碳纖維。本實(shí)施例中，恒溫浴水箱的溫度為95°C ;化學(xué)施鍍的時(shí)間為5min。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法，其特征在于，具體過(guò)程是: 步驟I，在碳纖維表面沉積熱解碳涂層；采用常規(guī)的化學(xué)氣相沉積法沉積熱解碳涂層；涂層工藝參數(shù)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°C，沉積時(shí)間為I 3小時(shí)，待化學(xué)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(xué)鍍鎳預(yù)處理；對(duì)沉積過(guò)熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳預(yù)處理，具體是: 第一步，對(duì)得到的表面制備有熱解碳涂層的碳纖維進(jìn)行粗化處理；將碳纖維放入H2SO4:HN03=3:1的混酸溶液中粗化處理I 2個(gè)小時(shí)；所述H2SO4與HNO3的比例均為體積比； 第二步，對(duì)粗化后的碳纖維進(jìn)行中和處理；將粗化后的碳纖維放入質(zhì)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(duì)中和后的碳纖維進(jìn)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(jīng)過(guò)中和處理的碳纖維在室溫下放入該溶液中浸泡20 30min ； 第四步，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維進(jìn)行活化處理，將2 5g硝酸銀溶于IOOml的蒸餾水中，得到硝酸銀溶液；將所述的硝酸銀溶液用蒸餾水稀釋至1L，配制成活化溶液；在室溫下將經(jīng)過(guò)敏化處理碳纖維放入得到的活化溶液中活化10 30min，得到經(jīng)過(guò)活化處理的碳纖維； 第五步，對(duì)活化后的碳纖維進(jìn)行還原處理，將SnC12溶液用蒸餾水稀釋至濃度為10 20g/L，得到敏化液；將經(jīng)過(guò)活化`處理的碳纖維浸入次磷酸鈉的溶液中，在室溫下機(jī)械攪拌I 5min，得到表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維，取出備用； 步驟3，制備化學(xué)鍍鎳溶液 所述化學(xué)鍍鎳溶液由A溶液和B溶液混合并攪拌均勻后，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)PH值而成； 其中A溶液是將30 50g/L硫酸鎳溶液、18 30g/L醋酸鈉溶液和30 40g/L硫酸銨溶液分別依次混合并攪拌均勻配制而成溶液是將36 50g/L次亞磷酸鈉溶液和10 20g/L檸檬酸三鈉溶液混合并攪拌均勻配制而成；將A溶液與B溶液混合均勻； 調(diào)節(jié)由A溶液與B溶液配制的混合溶液的PH值至4.5 6.5，得到化學(xué)鍍鎳溶液； 步驟4，碳纖維表面化學(xué)鍍鎳涂層； 將得到的碳纖維化學(xué)鍍鎳溶液置浴溫度為85 95°C恒溫浴水箱內(nèi)，將表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳預(yù)處理的碳纖維放置在施鍍?nèi)芤褐校?jīng)過(guò)5 ISmin進(jìn)行化學(xué)施鍍并烘干，得到制備有熱解碳/鎳復(fù)合涂層的碳纖維。
2.如權(quán)利要求1所述一種連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法，其特征在于，所述配制混合溶液A時(shí)，先將硫酸鎳溶液與醋酸鈉溶液混合并攪拌均勻后，再加入硫酸銨溶液混合并攪拌均勻。
全文摘要
一種連續(xù)碳纖維表面熱解碳/鎳復(fù)合涂層制備方法，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在無(wú)緯碳纖維布內(nèi)的碳纖維表面制備熱解碳涂層，熱解碳涂層厚度在0.03-0.1μm之間。采用化學(xué)鍍法在制備有熱解碳涂層的碳纖維表面制備鎳涂層。通過(guò)控制碳纖維在化學(xué)鍍鎳溶液中的反應(yīng)時(shí)間，使鎳涂層厚度在0.02-0.1μm之間，從而獲得含有熱解碳/鎳復(fù)合涂層的碳纖維，復(fù)合涂層的厚度在0.05-0.2μm之間。本發(fā)明能夠較好地防止纖維被氧化，有效地保護(hù)碳纖維不被損傷破壞，并且由于熱解碳的微觀結(jié)構(gòu)更趨于石墨化，能夠減少碳纖維與鋁合金之間的過(guò)多不良界面反應(yīng)的發(fā)生，調(diào)節(jié)碳纖維和鋁合金之間界面結(jié)合性。
文檔編號(hào)C23C16/26GK103160826SQ201310093388
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者齊樂(lè)華, 馬玉欽, 周元彪, 鄭武強(qiáng), 鞠錄巖, 周計(jì)明 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)