[发明专利]一种碳纤维/稀土氧化物纳米线混合增强体的制备方法及其所得材料和应用

说明书

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维/稀土氧化物纳米线混合增强体的制备方法及其所得材料和应用，制备方法将碳纤维预制体置于稀土盐反应溶液中，经磁力搅拌高温高压原位合成反应、清洗、干燥、煅烧，得到碳纤维/稀土氧化物纳米线混合增强体。本发明制备方法避免了使用高成本、污染环境的试剂，制备过程简单可控，反应温度低，并能通过反应溶液配比与反应条件的设计，控制稀土氧化物纳米线组成、含量等；本发明制备的混合增强体可以兼顾碳纤维和纳米线对界面、基体的跨尺度协同增强优势及稀土对碳纤维表面的改性作用，可用于增强聚合物、碳和陶瓷基复合材料。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维/稀土氧化物纳米线混合增强体的制备方法及其所得材料和应用。

背景技术

碳纤维因比强度和比模量高、热膨胀系数小、高温力学性能优异等特点，被广泛用作聚合物基、碳基、陶瓷基复合材料的增强体。但碳纤维表面化学惰性导致其与基体的界面粘接较弱，特别是在增强高温制备的碳和陶瓷基体时，表面修饰的官能团被消除，界面粘接依靠机械啮合，层间强度低，限制了复合材料的增强潜力发挥及整体结构性能。碳纤维表面负载纳米材料的跨微米、纳米尺度混合增强体，是提升复合材料界面粘接和力学性能的有效途径，目前应用最多的为碳纳米管。稀土纳米材料由于独特的物理化学性质，在催化、发光、永磁、微电子及复合材料中的应用效果显著。

公开号CN104231605、CN1587319、CN1597774、CN1597765、CN109693424、CN1807496的专利文献中记载，将碳纤维布浸泡在含氯化镧、氯化铈、氧化镧、氧化铈任一种或多种的乙醇溶液，利用碳纤维/稀土化合物颗粒混合增强体提升聚合物基复合材料的强度与摩擦性能。

公开号为CN102351556的专利文献中公开了一种稀土增韧炭/炭复合材料的制备方法，其利用负载于碳纤维表面的稀土化合物颗粒提高C/C复合材料的强度和韧性。

文献[Materials ScienceEngineering A 529(2011)177-183，新型炭材料31(2016)510-517、33(2018)434-441、35(2020)80-86]研究表明，碳纤维/LaCl₃颗粒混合增强体因改善了C/C复合材料界面结合及基体结构，并催化生长碳纳米管，故提升了力学、导热、摩擦与抗烧蚀性能。

文献“The effects of addition of La2O3 on the microstructure andmechanical properties of C/C composites[Materials ScienceEngineering A,610(2014)350-354]”，利用碳纤维表面的La₂O₃颗粒提高C/C复合材料的力学性能。

上述文献公开的稀土化合物呈颗粒状，未涉及利用稀土氧化物纳米线与碳纤维形成跨尺度混合增强体，且颗粒与碳纤维的结合弱、易脱落，对复合材料界面及基体的增强作用有限。此外，制备方法中使用了乙醇、氯化铵、硝酸等溶剂，成本高、污染环境。

发明内容

本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种碳纤维/稀土氧化物纳米线混合增强体的制备方法及其所得材料和应用。该方法利用含稀土离子的水溶液在预制体碳纤维表面生长稀土氧化物纳米线，避免了高成本和污染环境的试剂使用。该混合增强体兼具碳纤维和纳米线的跨尺度协调增强及稀土对碳纤维表面的改性作用，且稀土氧化物熔点高，在改善复合材料高温力学与抗烧蚀性能方面潜力巨大。利用稀土氧化物纳米线在催化生长碳纳米管的优势，可以进一步制备碳纤维/稀土碳化物纳米线/碳纳米管混合增强体。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种碳纤维/稀土氧化物纳米线混合增强体的制备方法，包括如下步骤：