一种碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维、碳纤维复合材料及制备方法

本发明涉及在碳纤维表面制备碳化硅的方法，特别是涉及一种碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维、碳纤维复合材料及制备方法。

背景技术：

1、一维碳化硅纳米材料具有大长径比、高强度、高导热、化学惰性和良好的热稳定性等优异的性能。碳化硅纳米材料已成功地加入到碳纤维复合材料中用于改善其力学性能。然而，碳化硅纳米材料的表面光滑性和生长方向的随机性限制了其增强效果。生长方向随机的碳化硅不能充分发挥其强化作用，其对碳纤维复合材料的增强效果不如径向生长方向的碳化硅对碳纤维复合材料的增强效果。并且纳米填料的几何形状对增强效率起着至关重要的作用。因此在碳纤维表面制备形貌特殊的碳化硅纳米结构值得进一步研究。

2、文献1(xuefeng lu,peng xiao.preparation of in situ grown siliconcarbide nanofibers radially onto carbon fibers and their effects on themicrostructure and flexural properties of carbon/carbon composites.carbon,2013,59:176-183.)报道了在碳纤维表面以甲基三氢硅烷为原料，制备出网状分布的碳化硅纳米结构，碳化硅呈现纳米线状。

3、文献2(jian li,jianjun sha,jixiang dai,zhaozhao lv,junqi shao,shouhaowang,zhaofu zhang.fabrication and characterization of carbon-bonded carbonfiber composites with in-situ grown sic nanowires.carbon,2017,118:148-155.)报道了采用化学气相反应法和前驱体浸渍热解法制备了原位生长碳化硅纳米材料，微观结构表征发现制备出的碳化硅呈现网状分布的纳米结构，碳化硅呈现纳米线状。

4、上述文献的方法制备出的线状碳化硅纳米结构，其生长方向均为网状，即生长方向随机，不能充分发挥其强化作用。

5、文献3(cn105948776b)公开了一种阵列碳纳米管/碳纤维/碳化硅导热复合材料的制备方法，由于其在生长碳纳米管时使用了h2，h2可以提高碳纳米管的品质，这是由于具有还原特性的h2一定程度上抑制了金属颗粒在纤维表面的移动，并分解非活性的金属碳化物使其重新成为具有催化活性的金属颗粒，因此其得到的碳纳米管为阵列碳纳米管；然后在阵列碳纳米管上以聚碳硅烷为前驱体，采用裂解法制备碳化硅，所得碳化硅呈涂层状分布在阵列碳纳米管顶部，其形成的阵列碳纳米管/碳纤维/碳化硅可作为导热材料，但却不适合做增强体材料。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的问题，本发明提供一种碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维、碳纤维复合材料及制备方法，所述碳化硅纳米铲刀在碳纤维表面成辐射状生长，且端部呈现铲刀状，生长有所述碳化硅纳米铲刀的碳纤维具有很好的增强作用。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

4、s1，通过化学气相沉积的方法在碳纤维布上沉积热解碳，然后生长碳纳米管，得到生长有碳纳米管的碳纤维布；

5、s2，将生长有碳纳米管的碳纤维布在ph值为6.8～7.2的硅源溶液中浸泡，取出干燥，然后煅烧，得到碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维；其中，所述硅源溶液包括正硅酸乙酯、乙醇和水。

6、优选的，所述生长碳纳米管具体为：将碳纤维布与碳源和催化剂的混合溶液在化学气相沉积炉中反应，得到生长有碳纳米管的碳纤维布；其中，所述碳源和催化剂的混合溶液包括二茂铁、无水乙醇和乙二胺。

7、进一步的，所述将碳纤维布与碳源和催化剂的混合溶液在化学气相沉积炉中反应具体为：将碳纤维布置于化学气相沉积炉，通入氩气，升温至800～900摄氏度，将碳源和催化剂的混合溶液注射到化学气相沉积炉，进行反应。

8、进一步的，混合溶液以5～15ml/h的速度注射到化学气相沉积炉，注射时间为10～30分钟。

9、进一步的，所述碳源和催化剂的混合溶液中二茂铁和无水乙醇的质量比为1:(80～100)，二茂铁和乙二胺的质量比为1:(15～18)。

10、优选的，所述硅源溶液中正硅酸乙酯和乙醇的摩尔比为3:(5～6)，乙醇和水的摩尔比为(1～2):1。

11、优选的，s2中，所述生长有碳纳米管的碳纤维布在硅源溶液中的浸泡时间为5～7小时。

12、优选的，s2中，所述煅烧的温度为1500～1600摄氏度，煅烧的时间为2～3小时。

13、采用所述的制备方法得到的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维。

14、一种碳纤维复合材料，包括树脂基体以及作为树脂基体增强相的所述碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维。

15、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

16、本发明预先在碳纤维布上沉积热解碳，可以起到保护碳纤维布的作用，避免生长碳纳米管时采用的催化剂对纤维造成损伤。然后在碳纤维上生长了碳纳米管，以碳纳米管作为中间体和碳源，以正硅酸乙酯为硅源，采用溶胶凝胶法及碳热还原法，制备碳化硅；正硅酸乙酯水解成sio2后可在热处理过程中与碳反应转化为碳化硅，碳纳米管有纳米吸附效应，sio2可以很好的分布在碳纳米管表面，由于碳纳米管原位生长在碳纤维表面，所以碳化硅也会从碳纤维表面生长，继承碳纳米管的纳米尺度以及生长位置，碳化硅成核之后是向生长能量最低的方向(也就是<1 1 1>晶向)生长，所以碳化硅形貌有别于碳纳米管，并非弯曲生长，而是呈现辐射状，区别于热解碳碳源形成的杂乱堆叠的线状，因此，本发明实现了碳纤维表面碳化硅呈现辐射状生长。调控硅源溶液的ph值可以控制正硅酸乙酯的水解程度，使正硅酸乙酯水解得到的sio2均匀分布在碳纳米管表面；硅源溶液如果为酸性一是会影响正硅酸乙酯的水解程度，导致硅源不能均匀分布在碳纳米管表面，影响碳化硅的形成；二是酸性的硅源覆盖在碳纤维表面，在热处理的过程中会导致碳纤维表面的热解碳壳层活性增加，最终也反应转变为碳化硅，从而使其呈现涂层状。

17、本发明制备的辐射状碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维作为增强相加入树脂中，相对于常规的碳化硅纳米线能起到更好的增强作用，拉伸强度和弹性模量均有较大幅度的提高。

技术特征：

1.一种碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，其特征在于，所述生长碳纳米管具体为：将碳纤维布与碳源和催化剂的混合溶液在化学气相沉积炉中反应，得到生长有碳纳米管的碳纤维布；其中，所述碳源和催化剂的混合溶液包括二茂铁、无水乙醇和乙二胺。

3.根据权利要求2所述的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，其特征在于，所述将碳纤维布与碳源和催化剂的混合溶液在化学气相沉积炉中反应具体为：将碳纤维布置于化学气相沉积炉，通入氩气，升温至800～900摄氏度，将碳源和催化剂的混合溶液注射到化学气相沉积炉，进行反应。

4.根据权利要求3所述的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，其特征在于，混合溶液以5～15ml/h的速度注射到化学气相沉积炉，注射时间为10～30分钟。

5.根据权利要求2所述的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，其特征在于，所述碳源和催化剂的混合溶液中二茂铁和无水乙醇的质量比为1:(80～100)，二茂铁和乙二胺的质量比为1:(15～18)。

6.根据权利要求1所述的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，其特征在于，所述硅源溶液中正硅酸乙酯和乙醇的摩尔比为3:(5～6)，乙醇和水的摩尔比为(1～2):1。

7.根据权利要求1所述的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，其特征在于，s2中，所述生长有碳纳米管的碳纤维布在硅源溶液中的浸泡时间为5～7小时。

8.根据权利要求1所述的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维的制备方法，其特征在于，s2中，所述煅烧的温度为1500～1600摄氏度，煅烧的时间为2～3小时。

9.采用权利要求1～8任一项所述的制备方法得到的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维。

10.一种碳纤维复合材料，其特征在于，包括树脂基体以及作为树脂基体增强相的权利要求9所述的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维。

技术总结
本发明提供一种碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维、碳纤维复合材料及制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1，通过化学气相沉积的方法在碳纤维布上沉积热解碳，然后生长碳纳米管，得到生长有碳纳米管的碳纤维布；S2，将生长有碳纳米管的碳纤维布在pH值为6.8～7.2的硅源溶液中浸泡，取出干燥，然后煅烧，得到碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维；其中，所述硅源溶液包括正硅酸乙酯、乙醇和水。本发明得到的碳化硅纳米铲刀接枝碳纤维，碳化硅纳米铲刀在碳纤维表面成辐射状生长，且端部呈现铲刀状，生长有所述碳化硅纳米铲刀的碳纤维具有很好的增强作用。

技术研发人员：张磊磊,万心怡,王甜甜,李贺军
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7