本发明涉及一种纯热解碳拉伸性能测试样品的制备方法，特别是涉及一种利用SiO2纤维束为模板制备纯热解碳纤维束拉伸样品的制备方法。
背景技术：
热解碳的拉伸力学性能在分析碳/碳、碳陶复合材料残余热应力、预测其宏观力学性能等方面具有重要意义，但在实际应用中，该数据严重缺乏，且仅有的少量数据不能充分反映不同结构热解碳(如粗糙层、光滑层、各向同性层热解碳)的力学特征，造成分析误差。例如，在文献Magali Rollin,Stéphane Jouannigot,Jacques Lamon,René Pailler.Characterization of fibre/matrix interfaces in carbon/carbon composite.Composites Science and Technology,2009,69(9),1442-1446.中，作者应用了热解碳的拉伸模量等力学数据，但未考虑热解碳的结构种类，即作者将不同结构热解碳的力学性能一概而论，导致较大的计算误差，影响了分析结论。在文献Craig A.Taylor,Mark F.Wayne,and Wilson KS Chiu.Heat treatment of thin carbon films and the effect on residual stress,modulus,thermal expansion and microstructure.Carbon,2003,41(10),1867-1875.中采用前人有关热解碳的拉伸模量和热膨胀数据计算其自行制备的某类热解碳薄膜的残余热应力，因未考虑热解碳结构对力学特征的影响，分析结果不够精确。
为了获得热解碳的拉伸力学数据，研究人员可基于单向碳纤维增强热解碳复合材料的拉伸性能测试，以混合法则为依据，间接计算热解碳的拉伸力学数据，例如模量的混合法则公式为Ec＝EfVf+Em(1-Vf)，其中Ec、Ef、Em分别为复合材料、纤维和基体的弹性模量，Vf、Vm分别为复合材料中纤维和基体的体积含量。但是，单向热解碳复合材料的拉伸性能除与纤维和基体有关外，界面结构与性质的影响也相当大，足以大幅改变材料的拉伸性能，因此，利用混合法则计算热解碳的拉伸力学数据误差也较大。
为了获得精确的力学数据，特别是不同结构热解碳的拉伸力学数据，需要制备大尺寸的纯热解碳拉伸测试样品。在对其进行拉伸测试的基础上，计算分析热解碳的拉伸强度、模量等拉伸力学参数。但限于国内外现有的热解碳制备工艺，即化学气相沉积，要制备大尺寸热解碳材料，必须经历长达1000小时以上的制备周期，且大尺寸热解碳材料极易产生不同尺度上的分层，严重影响拉伸测试结果的准确性。可见，有必要开发一种新型热解碳拉伸性能测试样品的制备方法。
技术实现要素：
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种纯热解碳拉伸性能测试样品的制备方法，以商业化SiO2纤维束为模板，基于优化的沉积工艺可制备不同结构热解碳的纤维束状拉伸性能测试试样，具备制备周期短、成本低、尺寸可控性好、拉伸测试误差小等优点。
技术方案
一种纯热解碳拉伸性能测试样品的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将SiO2纤维束置入沉积炉中，以CH4为前驱体沉积热解碳，沉积分压为3-20kPa，沉积温度为800-1200℃，沉积时间为1-5h，热解碳厚度约为500-2000nm，制得热解碳的SiO2复合纤维束；
步骤2：将SiO2复合纤维束裁剪成长度不小于100mm的纤维束段，平放于盛有体积分数为20-40％氢氟酸水溶液的聚四氟乙烯密闭容器中进行腐蚀，腐蚀温度为25-35℃，时间为5-10min；之后，将溶液吸出，倒入去离子水清洗，静置5min后，再将去离子水吸出，重复清洗3-5次，以去除纤维束表面的氢氟酸；随后用酒精清洗纤维束，置于60℃烘箱中1h，得到纯净的管状热解碳纤维束
步骤3：将管状热解碳纤维束置于沉积炉中，以CH4为前驱体继续沉积，沉积温度为1050-1120℃，沉积分压为4-9kPa，沉积时间5-40h后，得到实心热解碳纤维束。
所述SiO2纤维束每束为500-1000根。
一种利用所述测试样品进行纯热解碳拉伸性能测试的方法，其特征在于步骤如下：
步骤(1)：将长度为50mm的实心热解碳纤维束置于扫描电镜，并测量横截面的尺寸，计算横截面积A；
步骤(2)：参照ASTM D 3379-75技术标准，对实心热解碳纤维束进行拉伸强度测试，得到最大拉伸载荷Fmax以及断裂伸长率εt；
步骤(3)：计算热解碳纤维束的拉伸强度：
计算热解碳纤维模量：
其中：ε为纤维束断裂时的应变，ΔL和L分别为拉伸强度测试中的纤维束的断裂伸长量和原长；εt为断裂延伸率，E为碳纤维的拉伸模量；
重复步骤(1)～步骤(3)，以测试10-20根热解碳纤维束材料的拉伸性能，对10-20个测试结果，即拉伸强度σ和模量E，进行威布尔分析，获得纯热解碳纤维束的拉伸性能数据。
所述扫描电镜SEM为FEI NANOSEM450。
有益效果
本发明提出的一种纯热解碳拉伸性能测试样品的制备方法，采用SiO2纤维束制备热解碳和SiO2的复合纤维束，以氢氟酸水溶液进行腐蚀，得到纯净的管状热解碳纤维束；然后置于沉积炉中，制备得到不同横截面积的实心热解碳纤维束。本发明的有益效果是：(1)制备纯热解碳拉伸测试样品时，周期短、工艺简单，所制热解碳测试样品整体性强、无分层等破坏；(2)所制备的热解碳纤维束属于宏观范畴的材料，可准确测试其力学性能；(3)该方法可获得不同结构热解碳，包括光滑层、粗糙层、各向同性层热解碳的准确拉伸性能数据。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步描述：
实例1：
(1)将购买的SiO2纤维束直接放入沉积炉中，以CH4等烷烃、C3H6等烯烃、乙醇等醇类为前驱体沉积热解碳，沉积分压为15kPa，沉积温度为1150℃，沉积时间为3h，测得热解碳厚度约为700-900nm，制得热解碳和SiO2的复合纤维束。
(2)将步骤(1)所制备的复合纤维束裁剪成长度不小于100mm的纤维束段，平放于盛有体积分数为40％氢氟酸水溶液的聚四氟乙烯密闭容器中进行腐蚀，腐蚀温度为30℃，时间为5min，之后，将溶液用吸管吸出。倒入去离子水清洗，静置5min后，再将去离子水吸出，并重复清洗5次。用酒精清洗纤维束，置于60℃烘箱中1h，得到纯净的管状热解碳纤维束。
(3)将步骤(2)所制备的管状热解碳纤维束置于沉积炉中，以CH4为前驱体继续沉积，设定沉积温度为1100℃，沉积分压为8kPa。在沉积时间20h，得到粗糙层实心热解碳纤维束。
(4)将步骤(3)制备的粗糙层热解碳制样并做多次重复测试，得拉伸强度σ为227-240MPa，模量E为22-24GPa。
实例2：
(1)将购买的SiO2纤维束直接放入沉积炉中，以CH4为前驱体沉积热解碳，沉积分压为15kPa，沉积温度为1000℃，沉积时间为2h，热解碳厚度约为1500-1700nm，制得热解碳和SiO2的复合纤维束。
(2)将步骤(1)所制备的复合纤维束裁剪成长度不小于100mm的纤维束段，平放于盛有体积分数为30％氢氟酸水溶液的聚四氟乙烯密闭容器中进行腐蚀，腐蚀温度为35℃，时间为7min，之后，将溶液用吸管吸出。倒入去离子水清洗，静置5min后，再将去离子水吸出，重复清洗3次。用酒精清洗纤维束，置于60℃烘箱中1h，得到纯净的管状热解碳纤维束。
(3)将步骤(2)所制备的管状热解碳纤维束置于沉积炉中，以CH4为前驱体继续沉积，设定沉积温度为1050℃，沉积分压为9kPa。在沉积时间30h后，得到光滑层实心热解碳纤维束。
(4)将步骤(3)制备的光滑层热解碳制样并做多次重复测试，得拉伸强度σ为252-282MPa，模量E为20-22GPa。
所述测试样品进行纯热解碳拉伸性能测试的方法，其特征在于步骤如下：
步骤(1)：将长度为50mm的实心热解碳纤维束置于扫描电镜，并测量横截面的尺寸，计算横截面积A；
步骤(2)：参照ASTM D 3379-75技术标准，对实心热解碳纤维束进行拉伸强度测试，得到最大拉伸载荷Fmax以及断裂伸长率εt；
步骤(3)：计算热解碳纤维束的拉伸强度：
计算热解碳纤维模量：
其中：ε为纤维束断裂时的应变，ΔL和L分别为拉伸强度测试中的纤维束的断裂伸长量和原长；εt为断裂延伸率，E为碳纤维的拉伸模量；
重复步骤(1)～步骤(3)，以测试10-20根热解碳纤维束材料的拉伸性能，对10-20个测试结果，即拉伸强度σ和模量E，进行威布尔分析，获得纯热解碳纤维束的拉伸性能数据。
所述扫描电镜SEM为FEI NANOSEM450。