[发明专利]一种沉积碳纳米管的碳碳复合材料

说明书

本发明提供一种沉积碳纳米管的碳碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：积碳纳米管的碳纤维布的制备；将混合胶粘剂涂覆于沉积碳纳米管的碳纤维布表面；表干后的碳纤维布置于碳化炉中，碳化处理；致密化的预制体于氩气气氛下以300‑350℃/h的速率升温至1000℃，再以300‑350℃/h的速率分别升温至2500℃，恒温0.5‑1h，即得沉积碳纳米管的碳碳复合材料。本发明提供的碳碳复合材料在碳基体和碳纤维内嵌入短切碳纤维，并在碳基体和碳纤维之间沉积碳纳米管，显著提高了碳碳复合材料的力学性能，同时利用石墨在碳基体内部负载磷酸盐，可显著提高材料的抗氧化性能，同时因磷酸盐负载在与基体性能一致的石墨烯上，对材料的力学性能几乎无影响。

技术领域

本发明属于新材料领域，特别涉及一种沉积碳纳米管的碳碳复合材料。

背景技术

随着对高性能复合材料需求的日益增长，碳纤维增强复合材料，特别是碳/碳(C/C)复合材料，具有优异的高温力学性能和稳定性，低密度和低热膨胀系数，这些性能在2000℃以上的高温下仍可保持，更重要的是在1500℃以上高温环境下其强度随温度的增加不降反升的性能，使其成为最有发展前途的高技术新材料之一，被广泛用作航空和航天技术领域的烧蚀材料和热结构材料。

然而，C/C复合材料有一个致命的弱点，碳在370℃的有氧气氛中便开始氧化，高于500℃时迅速氧化。碳碳复合材料的氧化过程是一个非碳化的多相反应。同其它碳材料一样，碳碳复合材料中存在一系列的晶格缺陷，或碳化、石墨化过程中产生的内应力，以及杂质的存在使得碳碳复合材料中存在一些活性点部位。这些活性点部位易吸附空气中的氧气，并且在温度高于370℃时开始发生氧化反应，生成一氧化碳和二氧化碳。即使在极低的氧分压的情况下，也具有很天的Gibbs自由能差驱动反应快速进行，且氧化速度与氧分压成正比。氧化后C/C复合材料的力学性能显著降低，这会导致C/C复合材料毁灭性破坏，这一致命弱点限制了C/C复合材料的直接应用。

碳碳复合材料的抗氧化从方法上可以分为抗氧化涂层和内部抗氧化。其中抗氧化涂层着眼于对材料表面进行改性，如制备各类涂层；内部抗氧化则着重于碳碳复合材料自身内部的改性，包括对碳纤维和基体进行抗氧化改性。两种方法各有优劣：涂层法抗氧化效率较高，工艺较为简便，但是制备成本高，涂层与材料界面问题难于解决；内部抗氧化方法在一定温度范围内能有效提高材料抗氧化性能，但工艺周期长，反应过程不易控制。如今人们开始结合这两种方法，因地制宜采用组合方法最大限度提高碳碳复合材料的抗氧化性能。

通常认为，碳碳复合材料的内部抗氧化技术只能解决1000℃以下的抗氧化问题，更高温度下的抗氧化需要结合其他技术。然而，为了使碳碳复合材料的抗氧化和耐烧蚀性能得到提高，使其能够在高温气流环境下正常工作，基体改性是一种行之有效的方法。

如何进一步提升碳碳复合材料高温下的抗氧化性能，是值得研究的问题。

发明内容

技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种沉积碳纳米管的碳碳复合材料。

技术方案：本发明提供一种沉积碳纳米管的碳碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)沉积碳纳米管的碳纤维布的制备：将催化剂均匀涂覆在碳纤维布上，将碳纤维布置于管式电炉中，通入氮气加热至700-800℃，再通入碳源气体反应2-4h，冷却至室温，即得沉积碳纳米管的碳纤维布；

(2)负载磷酸盐的石墨烯材料的制备：取锂盐、金属盐或金属氧化物、磷酸盐或磷酸溶于水中，加入氧化石墨烯和柠檬酸，混匀，40-80℃搅拌反应1-2h，得到溶胶；采用溶胶-凝胶法，在超声搅拌的条件下，60-80℃蒸发除去水分，烘干得磷酸盐-石墨烯凝胶前驱体；将磷酸盐-石墨烯凝胶前驱体研磨，于充满氮气氛的管式炉内400-800℃热处理5-10h，即得负载磷酸盐的石墨烯材料；将负载磷酸盐的石墨烯材料于芘溶液或芘衍生物溶液中，超声搅拌分散；