[发明专利]一种碳纳米管/碳纤维增强体及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳纳米管/碳纤维增强体及其制备方法与应用，将脱浆的碳纤维电解氧化，将电解氧化后的碳纤维浸渍在含有催化剂和固态碳源的混合溶液中，将浸渍后的碳纤维进行干燥，然后采用气相碳源通过化学气相沉积法在干燥后的碳纤维表面生长碳纳米管；所述固态碳源为柠檬酸、葡萄糖或沥青。本发明解决了过去使用气相碳源在较高温度下才能生长出数量足够的碳纳米管的问题，同时解决了高温导致的纤维受损，碳纳米管与碳纤维的连接也不是很紧密，容易脱落的问题。

技术领域

本发明属于增强碳纤维的制备，涉及一种碳纳米管/碳纤维增强体及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

碳纤维(CFs)具有高强、高模、轻质、耐老化等优异性能，是应用最为广泛的复合材料增强体。在体育用品、交通工具、航空航天等及国防军工等领域，碳纤维增强复合材料(CFRPS)有着广泛的应用。多尺度增强体复合材料的界面处由于引入了CNTs，增加了碳纤维与树脂的界面结合，同时形成一个过渡的缓冲界面，在受到外力载荷时，可以有效进行应力转移和传递作用，显著提高了CFRPS的力学性能。另外，由于CNTs本身自带的优异力学性能、电学性能和热学性能等，因此也赋予了CFRP较多的特性，使用范围更为广泛。

但是碳纤维本身表面是高惰性的，与基体材料的结合无法达到理想的效果，通常在碳纤维表面涂覆一层碳纳米管来改变这种状况。复合材料界面性能改善主要通过化表面氧化、化学接枝等方法增加碳纤维表面极性官能团的含量以提高其表面的极性，再将碳纳米管涂覆在碳纤维上，从而达到增强碳纤维的目的，但是碳纳米管与碳纤维结合不够牢固，生长的数量和长度也不够理想。

而通过实践已知化学气相沉积(CVD)法能够在碳纤维表面生长出碳纳米管。在碳纤维表面生长碳纳米管的原理是碳源气体会受金属单质的催化作用，裂解出碳原子，碳原子在金属颗粒的催化下扩散，以顶端生长的方式长出碳纳米管。而金属单质的获得首先要在碳纤维上加载金属化合物，然后通入氢气进行还原，获得金属单质。

郑林宝等人(连续化碳纤维表面生长碳纳米管及其结构性能研究[D].山东大学,2018.)以硝酸钴为催化剂，采用甲烷为碳源，以氩气为保护气，650℃下沉积10min，在碳纤维表面生长出了碳纳米管，提高了碳纤维的石墨化程度。中国专利文件CN102199872A公开了一种纤维表面原位生长碳纳米管的方法。以乙醇或丙酮等为碳源，以二茂铁为催化剂，硫磺、噻吩等含硫物质为助催化剂，用氢气或氢气与其他惰性气体的混合气为载气，合成了碳纳米管。然而，发明人研究发现，上述方法需要在600～1000℃的高温下才能合成，并且反应装置用的是卧式电炉，无法大规模生产样品。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的目的是提供一种碳纳米管/碳纤维增强体及其制备方法与应用，解决了过去使用气相碳源在较高温度下才能生长出数量足够的碳纳米管的问题，同时解决了高温导致的纤维受损，碳纳米管与碳纤维的连接也不是很紧密，容易脱落的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种碳纳米管/碳纤维增强体的制备方法，将脱浆的碳纤维电解氧化，将电解氧化后的碳纤维浸渍在含有催化剂和固态碳源的混合溶液中，将浸渍后的碳纤维进行干燥，然后采用气相碳源通过化学气相沉积法在干燥后的碳纤维表面生长碳纳米管；所述固态碳源为柠檬酸、葡萄糖或沥青。

本发明经过研究发现，传统采用气相沉积法在碳纤维表面生长碳纳米管存在碳纳米管生长不均匀、连接效果不佳的问题，本发明通过先采用电解氧化，再添加固态碳源，不仅能够提高生长碳纳米管的数量，且固态碳源引入了不定型碳层，进一步强化了碳纳米管与碳纤维之间的联系，同时，固态碳源引入降低了碳纳米管的生长温度，使生产过程稳定可控，便于连续化，工业化生产。

另一方面，一种碳纳米管/碳纤维增强体，由上述制备方法获得。