[发明专利]一种在碳纤维表面制备抗氧化复合涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在碳纤维表面制备抗氧化复合涂层的方法，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术

碳纤维(carbonfiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维具有许多优良性能，如：轴向强度和模量高，密度低，比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好，导电导热性能好，电磁屏蔽性好等。这些特性使得碳纤维在陶瓷、树脂、金属乃至碳等材料为基体的复合材料中得到广泛应用。但碳纤维抗氧化性能较差，在400℃以上的空气中即出现明显的失重和强度降低现象，导致材料的性能下降。不仅如此，由于碳纤维表面活性较低，导致碳纤维与某些基体的浸润性不好，不经过表面处理的碳纤维与基体的结合能力较差，导致复合材料的性能降低。

研究表明：在碳纤维表面制备抗氧化涂层可以有效解决上述问题，此外，选择合适的涂层还能够起到纤维表面改性的目的，增强纤维与基体材料的结合力。目前，抗氧化涂层的制备方法很多，包括化学气相沉积法、物理气相沉积法和溶胶-凝胶法等。气相沉积法需要专门的气相沉积炉，反应设备昂贵；而溶胶-凝胶法制备涂层不仅简单易行，同时能较好的解决在三维编制体内外各纤维表面的均匀涂覆问题。例如：2014年3月19日，中国发明专利CN103643481A公开了一种碳纤维表面氧化铝涂层的制备方法，以硝酸铝为原料，采用溶胶-凝胶法，经过75-95℃水解，保温1-2小时，一段时间的陈化后形成溶胶，然后在1000℃进行热处理，得到在碳纤维表面的α-Al₂O₃抗氧化涂层。但现有的溶胶-凝胶法在制备溶胶时，均需要加热搅拌和长时间高温水解及老化，且存在热处理温度高的问题；另外，在制备二元及二元以上的多元溶胶时，都是采取先制备好单组分的溶胶，然后再将制备的单组份溶胶进行混合从而制得多元溶胶，这种溶胶制备方法不仅对设备要求较高、浪费能源、制备时间长，且高温热处理还会导致碳纤维损伤，降低碳纤维的性能，同时也不符合节能环保要求，尤其是，所制备的涂层易出现裂纹及脱落现象，影响其抗氧化性能。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种在碳纤维表面制备抗氧化复合涂层的方法，不仅满足节能环保要求，而且使所制备的涂层均匀完整且附着力好。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种在碳纤维表面制备抗氧化复合涂层的方法，所述的抗氧化复合涂层为Al₂O₃-SiO₂-TiO₂复合涂层，所述方法为溶胶-凝胶法，包括：复合溶胶的制备，对碳纤维的表面活化处理，涂覆，干燥及热处理；其特征在于，所述复合溶胶的制备包括如下步骤：

a)将正硅酸乙酯的水醇溶液与乙酸在室温下搅拌至其混合均匀，得到混合溶液A；

b)将得到的混合溶液A倒入钛酸丁酯的醇溶液中，在室温下搅拌至其混合均匀，得到混合溶液B；

c)在搅拌下，向混合溶液B中快速倒入九水合硝酸铝的醇溶液，在室温下搅拌至其混合均匀，得到混合溶液C；

d)向混合溶液C中加入醇水混合溶剂，在室温下搅拌至得到所述的复合溶胶。

作为优选方案，步骤a)中所述的水醇溶液是由乙醇与水形成，正硅酸乙酯与乙醇和水的摩尔比依次为(3.5～4.5):(15.5～16.5)：(10～12)。

作为优选方案，步骤a)中所述的乙酸与正硅酸乙酯的摩尔比为1:1。

作为优选方案，步骤b)中所述的钛酸丁酯的醇溶液是由钛酸丁酯与乙醇按摩尔比为1:(7～10)形成。

作为优选方案，步骤c)中所述的九水合硝酸铝的醇溶液是由九水合硝酸铝与乙醇按摩尔比为1:(32～43)形成。

作为优选方案，所述复合溶胶中的水的摩尔数是正硅酸乙酯、钛酸丁酯、九水合硝酸铝的摩尔数之和的2.8～3.2倍。

作为优选方案，所述复合溶胶的浓度为0.3～0.6mol/L。

作为优选方案，所述复合溶胶中的Al：Si：Ti的摩尔比为(0.5～3):4:(0.5～1.5)。

作为优选方案，对碳纤维的表面活化处理包括如下步骤：将碳纤维置于管式炉中，在380～420℃下保温30～40分钟，以去除碳纤维表面的环氧树脂胶；将除胶后的碳纤维置于浓硝酸中浸渍30～120分钟，然后采用去离子水或蒸馏水对碳纤维进行清洗至少3次；再在70～80℃下保温2～4小时。