专利名称：具有氮化铝涂层的碳纤维及其制备方法
技术领域：
本发明涉及碳纤维或碳素制品表面涂复抗氧化增强涂层的领域。
碳纤维是一种常用的复合材料的增强材料，它具有高比强度、高比模量、低密度及良好的编织加工性能等优点。在中、低温(T＜800℃)树脂基复合材料中获得比较广泛的应用。但由于其在氧化气氛中不能经受800～400℃以上的高温，而且与某些基材浸润性不好，难以形成性能更为优良的复合材料，因而阻碍了碳纤维在航空、航天及军事等需要轻质、高强、耐温材料中的应用。解决这一问题常用的途径，是在碳纤维或碳素制品表面形成致密的保护性涂层。在现有技术中，所采用的涂复方法有化学气相沉积法、电化学方法、溶液浸渍烧结法等。其中溶液浸渍烧结法，具有操作方便、易于放大生产的特点，如西德专利DE3700811在1988年报导了用聚硅氧烷溶液浸渍碳纤维后烧结在表面形成Si-C涂层，美国专利US4910178在1989年报导用聚硅烷和聚有机硼硅烷溶液浸渍后烧结的方法在碳素制品表面形成0.08～1mm厚的抗氧化保护性陶瓷涂层。上述方法形成的涂层厚度太大，因而不适用于成束碳纤维的单丝表面的涂复。氮化铝是一种优良的特种陶瓷，具有耐腐蚀、耐高温、电绝缘、导热性能好等特点，在碳纤维表面形成氮化铝涂层对改善碳纤维的性能意义极大。1987年B.Armas等人(见The 10th Proe.Int.Conf.C.V.D.(1987)，1060)报导了用三甲基铝和氨反应，以C.V.D.方法，在电阻加热的碳纤维表面沉积得到氮化铝涂层，碳纤维直径为100～150μm，涂层厚度为20～200μm，因其单丝直径及涂层厚度太大，而不具有柔顺性和可编织性，故限制了其应用范围。这一技术的直接目的是应用于单根粗纤维(如光导纤维)的保护涂层。
为解决上述问题，本发明提供了一种具有氮化铝涂层的碳纤维及其制备方法。本发明的具有氮化铝涂层的碳纤维微丝直径小于15μm，氮化铝涂层厚度小于1μm，涂层平整光滑。
本发明是采用如下方式实现的用芳香烃(苯、甲苯、二甲苯)作溶剂溶解烷基铝胺或聚烷基铝胺先驱体，将得到的体积浓度小于16%的烷基铝胺或聚烷基铝胺先驱体的稀溶液在惰性气氛中浸渍碳纤维，然后缓慢升温(t≤5℃/min)，经蒸出溶剂、表面固化后，再升温至1000℃，保持一定时间以上，使碳纤维表面形成氮化铝陶瓷保护层。上述涂复过程中，碳纤维在表面固化后可以冷却至一定温度，再次用烷基铝胺或聚烷基铝胺先驱体的稀溶液浸渍后再烧结，这个过程亦可多次重复进行，以使涂层致密，满足使用要求。
现结合实施例详细说明如下实例1碳纤维为兰州碳素厂生产，直径为5.5～6.5μm，每束碳纤维有1000根单丝，热氧化温度为510℃，单丝拉伸强度为2400MPa。经过浓度为8%的二乙基铝胺先驱体的二甲苯溶液浸渍后的碳纤维束，以每分钟5℃的速度升温至150℃时恒温20分钟，再升至350℃时恒温30分钟，然后升至1000℃，恒温10小时后冷却，整个过程在氮气保护下进行。所得到的具有氮化铝涂层的碳纤维，逐根单丝表面具有平整光滑涂层，其厚度约为0.2μm。所获得的涂层碳纤维热氧化温度为660℃，单丝拉伸强度为2800MPa。
实例2所用碳纤维同例1。经过浓度为5%的二乙基铝胺先驱体的甲苯溶液浸渍后的碳纤维束，以每分钟5℃的速度升温至150℃时，恒温20分钟，再升至350℃时恒温30分钟后冷却至100℃，再用二乙基铝胺甲苯溶液浸渍一次后重复上述升温过程，当升到1000℃时恒温14个小时后冷却，整个过程在氮气保护下进行。所得到的具有氮化铝涂层的碳纤维微丝，其涂层厚度约为0.8μm，热氧化温度为690℃，单丝拉伸强度为2900MPa。
实例3所用碳纤维同例1。经过浓度3%的聚乙基铝胺先驱体的甲苯溶液浸渍后的碳纤维束，以每分钟5℃的速度升温至150℃时恒温20分钟，再升温至350℃时恒温30分钟，然后升温至1000℃时恒温20个小时后冷却，整个过程在氮气保护下进行。所得到的具有氮化铝涂层的碳纤维微丝，其涂层厚度约为0.4μm，热氧化温度为720℃，单丝拉伸强度为3000MPa。
本发明的具有氮化铝涂层的碳纤维，其热氧化温度比无涂层的碳纤维提高150℃以上，拉伸强度提高20%以上，不仅保持了无涂层的碳纤维所具有的柔顺性和可编织加工的特性，而且由于在碳纤维表面形成了氮化铝涂层，还可以改变它与某些基材的浸润性和相容性。本发明的在碳纤维及碳素制品表面涂复氮化铝涂层的方法，简便易行，可进行大规模工业化生产，特别适用于在成束碳纤维的各单丝表面的涂复。用该方法生产的具有氮化铝涂层的碳纤维，其涂层厚度小于1μm，涂层平整光滑。
权利要求
1.一种具有氮化铝涂层的碳纤维，其特征在于碳纤维单丝的直径小于15μm，其氮化铝涂层厚度小于1μm。
2.一种在碳纤维表面涂复氮化铝涂层的方法，其特征在于用烷基铝胺或聚烷基铝胺先驱体-芳香烃稀溶液浸渍碳纤维束，然后逐步升温经过蒸出溶剂和表面固化后，再经高温烧结，使碳纤维单丝表面形成氮化铝涂层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于经过先驱体-芳香烃溶液浸渍的碳纤维在表面固化后，可将碳纤维冷却至一定温度后再次用先驱体-芳香烃溶液浸渍，然后再升温烧结，该过程可多次进行。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于烷基铝胺或聚烷基铝胺先驱体-芳香烃溶液的浓度小于16%(体积浓度)。
5.根据权利要求1所述的碳纤维，其特征在于用该碳纤维或其编织物与树脂基、金属基、陶瓷基等复合成的复合材料。
全文摘要
一种具有氮化铝涂层的碳纤维及其制备方法。本发明涉及在碳纤维及碳素制品表面涂覆抗氧化增强涂层领域。本发明的碳纤维，其直径小于15μm，涂层厚度小于1μm。本发明的制备方法是将经过烷基铝胺或聚烷基铝胺先驱体——芳香烃的稀溶液(C
文档编号D06M13/50GK1064324SQ9210684
公开日1992年9月9日 申请日期1992年3月9日 优先权日1992年3月9日
发明者廖白霞, 李银奎, 陆逸 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学