[发明专利]一种各向同性热解碳的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种各向同性热解碳的制备方法，特别是涉及一种借助低温固定床化学气相沉积技术，致密化非晶碳纳米纤维预制体制备各向同性热解碳的方法。

背景技术

各向同性热解碳，作为烃类气体（如甲烷、丙烷、丙烯等）高温热解产物，由随机取向的石墨烯微晶结构和其间的不定性碳构成（Texture characterization and mechanical properties of pyrocarbon obtained by chemical vapor deposition at1450–1550°C.Materials Science and Engineering A.2012）。相比于层状热解碳，各向同性碳在结构上无织构特征，故而又称之为乱层结构热解碳。各向同性碳晶粒尺寸小、结构致密、性能均一，除具有一般碳材料的优点外,还具有高强度、高硬度、低摩擦系数和低磨损量等优点。其块体材料制造的动密封环可用于导弹，潜艇或直升机上等苛刻工作环境下的动密封装置。

各向同性热解碳的制备方法是化学气相沉积法（CVD），主要包括流化床CVD、电磁场辅助CVD和热梯度CVD。

文献1“吴峻峰,白朔,刘树和,等.大尺寸各向同性热解碳材料的制备与表征.新型碳材料.21(2006)119–124”报道了利用流化床CVD，1400–1500℃热解丙烷制备了各向同性热解碳。文献2“李建青.电磁场化学气相沉积制备各向同性热解碳及微观结构研究.中南大学硕士论文.2011”报道了借助电磁场辅助CVD，1200–1400℃热解丙烯制备了各向同性热解碳。文献3“Dong-sheng Zhang,Ling-jun Guo,Ke-zhi Li,et al.Isotropic pyrocarbon deposited at1250℃by means of thermal gradient chemical vapor deposition.Journal of Nuclear Materials.Journal of Nuclear Materials384(2009)327–329”报道了采用热梯度化学气相沉积法，在1250℃热解天然气制备得到密度1.85g/cm³的各向同性热解碳材料。

上述制备各向同性热解碳的方法中，存在着制备温度高、设备复杂、沉积工艺范围窄、各向同性热解碳易掺杂层状热解碳等缺点。

为了克服各向同性热解碳制备中存在的问题，西北工业大学凝固技术国家重点实验室相关人员（Qiang Song,Ke-zhi Li,He-jun Li,et al.A novel method to fabricate isotropic pyrocarbon by densifying a multi-walled carbon nanotube preform by fixed-bed chemical vapor deposition.Carbon.2013）以晶化的碳纳米管为原料，利用真空抽滤法制备了碳纳米管的预制体，并以甲烷为碳源，借助固定床CVD在1050–1150℃致密化碳纳米管预制体制备得到了块状的各向同性热解碳。这一方法相比于传统制备方法具有明显的优势，包括制备温度显著降低、制备工艺条件明显宽泛等。这种方法从一定程度上解决了各向同性热解碳传统制备方法中的不足，但是，以由于碳纳米管的结晶度较高，导致制备的各向同性热解碳的Lc（碳材料(002)面堆垛高度）值较大，这不利于各向同性碳在防中子辐射等领域的应用。另一方面，碳纳米管的中空结构限制了热解碳在其内部的沉积，这从一定程度上限制了各向同性碳块体的密度。此外，为了进一步降低各向同性碳的制备温度，需要进一步发展或改进制备工艺与条件。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种各向同性热解碳的制备方法。

技术方案

一种各向同性热解碳的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用酒精润湿碳纳米纤维，润湿时，酒精和非晶碳纳米管纤维的体积比例为1:1～3:1；

步骤2：将润湿后的碳纳米纤维置于石墨凹模中，压力为0.1～30MPa；将其放置于避光处室温晾干，得到体积分数为10～50%的碳纳米纤维预制体；

步骤3：再将含有非晶碳纳米纤维的石墨凹模放入固定床CVD反应炉中，氮气气氛保护下升温至900～970℃；