专利名称：微管状碳化钛基纤维及其制备方法
技术领域：
本发明提供一种用于吸波材料的微管状碳化钛基纤维及其制备方法。本发明采用气相沉积工艺或等离子气相沉积工艺将工业碳纤维钛化、然后把残余碳氧化而得产物。该材料既可用于结构吸波材料，也可用于涂敷吸波材料和防微波面料，并且在新型催化剂、微传感器、微电极、微机械元件和生物材料等领域有广阔的应用前景。
传统的电磁波吸收体主要有以下几种(1)超微磁性金属粉和纤维，其主要问题是低频吸收性能不理想，比重较大。(2)铁氧体，广泛地应用于隐身领域。其主要缺点是密度较大、温度稳定性较差。(3)以电损耗为主的吸波材料，分为无机损耗吸波材料和有机电损耗吸波材料。无机损耗材料的一个热点是碳纤维电磁波吸收体，具有轻质高强的特点，但耐高温性、抗氧化性差，在很多场合中使用都镀上碳化物涂层。另一热点是碳化硅电磁波吸收体，但SiC纤维电性能属半导体材料，电阻率太高，为此，试图通过对碳化硅纤维进行改性，如调节其电阻率和改变纤维的截面，如镀上富碳层，但损失了抗氧化性，不能全面解决问题。
针对上述缺陷，吸波材料极需开发具有宽域高效吸波性、高温稳定性和机械性能的电磁波吸收体。本发明采取这样的方案基于碳纤维容易钛化的特点，以碳纤维为原料，采用形状记忆法和化学气相沉积工艺，在反应气钛化物、氢气和作为硼或氮化合物的掺杂剂和促进剂作用下，把碳纤维从表面开始转化为碳化物，然后把残余碳氧化，得碳化钛基空心管。由于微管导电体的特殊性质，该材料电磁参数可调节，微观结构和尺寸可以控制，电磁波吸收性能优于传统吸波材料。而且该碳化钛材料具有高硬度、良好导电性和导热性、抗腐蚀性、抗老化性和抗高温蠕变性等优良性质，可替代传统的电磁波吸收体。
本发明采用化学气相沉积(CVD)法，以微米级碳纤维为原料，采用形状记忆法和气相沉积或等离子气相沉积工艺，以惰性气体为稀释气，在氢气的携带下通入钛化物气体，在800-1300℃下，以H2为钛化物的载气，又引入少量作为掺杂剂和促进剂的硼或氮化合物，将碳纤维从表面开始钛化，然后将残余碳氧化，得碳化钛基空心管。所用的微米碳纤维为工业丙稀晴基碳纤维和沥青基碳纤维以及气相沉积碳纤维。所用的钛化物为氯化钛或二茂钛，所采用的氮化合物为N2，NH3，N2H4，NF3；硼化合物为BCl3，BBr3，B2H6。
所制备的碳化钛基管状纤维微管内径0.5～45μm，外径5～50μm，采用不同的原料，控制不同的反应条件，就可以获得不同的电阻率。体积密度0.50～2.5g/cm3，体积电阻率0.01～100Ω·cm，耐蚀、耐温、抗氧化性好，对复合材料力学增强性好。该无机纤维具有比传统更优越的吸波性能、机械性能、化学稳定性和基体相容性。
实施例一优质氧化铝管制横式外热式反应管，中央水平放置氧化铝基板，上面放置原料PAN基碳纤维200mg和少量BCl3。氯化物的气化采用饱和器气化法。从反应管的一端通入原料气体，组成如下H2＝50～200sccm，TiCl4(气)＝10～50sccm，在1100℃下进行气相沉积反应2小时，冷却后将纤维切短，放入煅烧炉中700℃煅烧氧化除去纤维中心残余碳，得到碳化钛基管状纤维微管内径D1＝0.1～0.5μm，微管外径D2＝3～5μm，体积密度0.50～1.5g/cm3，体积电阻率0.01～1Ω·cm。纤维化学组成C41.8～52.5mol％；Ti45.6～7.9mol％；H1％～1.4mol％；B0.3～3.9mol％。
实施例二优质氧化铝管制横式外热式反应管，中央水平放置氧化铝基板，上面放置原料沥青基碳纤维500mg。应用直流等离子化学气相沉积法。氯化物的气化用饱和器气化法。从反应管的一端通入原料气体，组成如下TiCl4(气)＝5～100sccm，H2＝20～400sccm，N2＝5～200sccm，在1000℃下进行气相沉积反应3小时，冷却后将纤维切短，放入煅烧炉中700℃煅烧氧化除去纤维中心残余碳，得到碳化钛基管状纤维微管内径D1＝2～5μm，微管外径D2＝8～12.5μm，体积密度0.50～1.5g/cm3，体积电阻率0.1～10Ω·cm。纤维化学组成C43.5～56.2mol％；Ti42.7～48.9mol％；H1％～1.4mol％；N0.9～2.7mol％。
实施例三优质氧化铝管制横式外热式反应管，中央水平放置氧化铝基板，上面放置原料PAN基碳纤维500mg。从反应管的一端通入原料气体，组成如下二茂钛＝50sccm，H2＝100sccm，BCl3＝0.5sccm，在1050℃下进行气相沉积反应5小时，冷却后将纤维切短，放入煅烧炉中800℃煅烧氧化除去纤维中心残余碳，得到碳化钛基管状纤维微管内径D1＝1～2μm，微管外径D2＝8～12.5μm，体积密度0.50～1.5g/cm3，体积电阻率1～10Ω·cm。纤维化学组成C45.5～47.4mol％；Ti46.9～48.8mol％；H1％～1.4mol％；B0.1～2.9mol％。
权利要求
1.一种微管状碳化钛基纤维及其制备方法，以工业微米级碳纤维为原料，在钛化物和氢气等反应气作用下将碳转化为碳化物，其特点在于采用形状记忆法和气相沉积或等离子气相沉积工艺制备微米级管状TiC基纤维；其微管内径0.5～45μm，外径5～50μm，体积密度0.50～2.5g/cm3，体积电阻率0.01～100Ω·cm。
2.根据权利要求1所述的微管状碳化钛基纤维及其制备方法，其特点在于在反应过程中，引入钛化物和少量化合物硼或氮化合物为掺杂剂和促进剂，把碳纤维从表面开始转化为掺杂碳化钛，然后把残余碳氧化，得碳化钛基空心管。
全文摘要
本发明公布一种微管状碳化钛基纤维及其制备方法。以工业微米级碳纤维为原料，在钛化物、氢气和作为掺杂剂与促进剂的硼或氮化合物作用下将碳转化为碳化物，然后把残余碳氧化，得到碳化钛基空心管。其特点在于采用形状记忆法和气相沉积或等离子气相沉积工艺法制备；微管的内径0.5～45μm，外径5～50μm，体积密度0.50～2.5g/cm
文档编号C04B35/56GK1394829SQ0112272
公开日2003年2月5日 申请日期2001年7月11日 优先权日2001年7月11日
发明者陈秀琴, 杨少明, 元岛栖二 申请人:华侨大学