[发明专利]一种铁基合金复合纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铁基合金复合纤维及其制备方法，首次将具有导电、导热及封闭作用的石墨烯层用于包覆铁基合金纤维从而使得铁基合金纤维在具有良好导电能力的同时具有良好的防腐蚀能力。本发明同时提出了石墨烯层包覆铁基合金纤维的制备方法。即结合快速加热的微波技术与石墨烯衍生物的微波吸收特性和铁基合金纤维表面微波涡流加热特性，使得铁基合金纤维表面涂布石墨烯衍生物层形成复合纤维，然后复合纤维在设定气氛下以设定速度运动通过微波加热区域并使得其表面石墨烯衍生物层以设定时间被微波加热处理转化为石墨烯层，随后复合纤维离开微波加热区并被冷却,最后复合纤维通过挤压处理即可获得具有良好导电能力及抗腐蚀能力的复合铁基合金纤维。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种铁基合金复合纤维及其制备方法，特别是将具有良好导电能力及封闭作用的石墨烯用于包覆铁基合金纤维从而使得铁基合金纤维具有良好的导电能力及防腐蚀能力。

背景技术

随着社会的发展，包括铁、钢、不锈钢等在内的铁基合金的纤维由于拥有良好的机械性能、低廉的价格等众多优点而在包括工程建筑、电磁防护等广泛领域获得广泛应用。然而铁基合金纤维本身的包括腐蚀问题、导电性能还有待提高等一些问题的存在限制了其进一步的推广应用。因此铁基合金纤维的包覆修饰受到人们的高度关注，并在包括高分子包覆、涂料涂布、铁基合金复合等方面取得快速发展。而另外一方面，石墨烯作为一种二维导电材料，其优异的力学性质(杨氏模量高达1.0TPa)、电学性质(电子迁移率高达10⁶cm².v^-1s^-1)、热学性质(热导系数高达5000w.m^-1.k^-1)、光学性质(单层石墨烯的可见光吸收仅有2.3％和优异的锁模特性)，超大的理论比表面积(2630m².g^-1)使得其在金属表面修饰领域的应用潜能受到人们的高度关注。人们的研究表明铜丝表面通过气相沉积方法制备的石墨烯层包覆铜丝不仅具有良好的防腐蚀能力而且其导电能力也非常优异。由于石墨烯气相沉积需要的催化特性，目前通过气相沉积生长石墨烯的金属材料局限于铜、镍等少数金属材料。此外，人们还开发了基于石墨生产的氧化石墨烯或者其还原产物还原氧化石墨烯。氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯溶液能够以石墨烯基面与涂布基底平行的方式层层叠加涂布成膜，但是其导电能力欠佳并且石墨烯基面上由于氧化形成的小孔具有一定的物质通过能力均影响其在更大范围的广泛使用。而基于高温还原由氧化石墨烯制备的具有高还原程度的石墨烯粉末虽然导电性能改善，但由于其分散性能欠佳，目前人们只能通过粉末静电喷涂的方式涂布在材料表面。然而粉末静电喷涂由于石墨烯粉末团聚而难以使得石墨烯基面铺展均匀包覆材料，因此其并不能发挥石墨烯材料的优越性能。为此人们还开发了添加了包括氧化石墨烯粉末、还原氧化石墨烯粉末及石墨烯粉末在内的石墨烯基材料的石墨烯防腐涂料。但是一方面防腐涂料添加的包括高分子材料在内的其它材料会影响石墨烯包括导电、导热能力的发挥，而另外一方面氧化石墨烯及还原氧化石墨烯存在的基面孔洞对防腐能力的影响及石墨烯粉末难以均匀分散及涂布的特性，使得石墨烯防腐涂料涂布获得的防腐涂层的性能还需要进一步通过开发而提高。所以人们迫切需要开发新的技术能够有效地将石墨烯层包覆在材料表面。为此，本发明在国际上首次提出将石墨烯层包覆在铁基合金纤维表面而获得具有良好导电能力及防腐能力的复合铁基合金纤维。本发明同时提出了制备石墨烯层包覆铁基合金复合纤维的制备方法，即在铁基合金纤维上首先通过石墨烯衍生物溶液涂布而获得石墨烯衍生物层包覆的铁基合金复合纤维，然后在设定气氛条件下复合纤维以设定速度运动通过微波加热区，利用石墨烯衍生物中石墨烯微区的微波吸收能力及铁基合金纤维表面数微米深度的金属涡流加热特性使得氧化的石墨烯衍生物层或者石墨烯边缘衍生物层及铁基合金表面层由于微波作用而快速升温并还原氧化的石墨烯衍生物或者脱石墨烯边缘衍生物的边缘官能团而将石墨烯衍生物层转化为石墨烯层。由于溶液涂布的石墨烯衍生物层以石墨烯基面铺展的形态层层包覆在铁基合金纤维上，而此时高温处理获得的石墨烯层还由于不同石墨烯片层间π电子云之间的相互作用而可以保持较好的导电、导热及机械性能。另一方面，复合纤维以设定速度运动通过微波加热区不仅可以精确控制复合纤维的加热时间，如一般微波炉加热时间设定有30秒为单位的多个档次，但是实验表明在保护气氛下加热一个整档就可能发生由于升温过快而导致涂布的石墨烯衍生物层散乱甚至脱落，即使精密微波炉可以设定微波脉冲长度，但也难以设定可能最优的加热时间如1.2秒，而复合纤维以设定速度通过微波加热区则可以根据微波加热区尺寸轻松获得精确的最佳加热时间。复合纤维以设定速度通过微波加热区还可以避免微波加热区不同区域加热效果不同带来的加热不均。事实上，将复合纤维放置在微波炉中加热一段时间，取出后可以明显感觉到放置在不同加热区域的复合纤维加热效果不一样，这与微波炉中加热电场的均匀性有关，虽然可以通过设计如曲面天线结构等方式提高微波炉加热均匀性，但其也有一定限度。而复合纤维以设定速度通过整个微波加热区则由于所有复合纤维均通过整个加热区而获得一致的加热效果。当然复合纤维以设定速度通过整个微波加热区还可以精确控制其冷却时机，从而有助于优化工艺。而本发明的复合纤维以设定速度通过整个微波加热区的方法还与纤维加工的工艺兼容，因此有助于铁基合金复合纤维的批量生产。而微波加热(通常时间以秒计)由于选择性地加热石墨烯衍生物层及铁基合金纤维表面，不仅可以避免其它升温加热(通常时间以小时计)由于需要热传输等而引发的高能耗，而且离开微波加热区即可以快速冷却，因此大大缩短加工时间，所以本申请利用微波加热制备石墨烯层包覆铁基合金复合纤维的方法不仅能够获得表面具有良好导电能力及防腐能力的石墨烯层，而且由于使用即开即加热且加热具有选择性的微波加热技术而能够有效降低能耗并缩短加工时间因此有助于铁基合金及石墨烯材料的进一步研发及推广应用。