一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法，属于陶瓷技术领域。本发明专利技术以全氢聚硅氮烷为原料，采用浸渍热转化方法，在碳纤维表面成功包覆硅氧氮涂层，大量全氢聚硅氮烷填充在碳纤维表面孔隙中，既能够提高高孔隙率碳纤维复合材料的力学强度，又能在高温氧化过程中迅速吸收空气中的氧分子，在材料表面形成整体保护，阻碍氧气分子进入材料内部，保护碳纤维不被氧化，从而显著提高碳纤维的抗氧化性能，同时为后续抗氧化层提供更多活性位点，在P2O5中引入Na2O、CaO、MgO、NaF，从而加强分子间的结合力，起到了促进磷化成膜的作用，在碳纤维的表面及开口气孔内形成一层结构致密的玻璃状填充物，渗透到碳纤维的组织孔隙内，使材料的抗氧化性得到明显提高。

【技术实现步骤摘要】
一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法
本专利技术涉及一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法，属于陶瓷

技术介绍
碳纤维增强陶瓷基复合材料具有轻质、耐高温、低热导率等性能特点，且韧性比原有的航天飞机隔热瓦高，在经历室温到1700℃长时间的超高温环境，不会因烧蚀而引起形状变形，因此可以用于制备新型轨道机动飞行器关键组件——钝型头锥和翼前缘。但是由于增强相碳纤维的引入，当有氧环境下温度高于450℃时，碳纤维将发生氧化损伤进而引起复合材料的失效，这个缺陷使碳纤维增强陶瓷基复合材料在有氧环境下的使用受到了极大地限制，因此，高温条件下对复合材料进行氧气隔绝，提升碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性能是迫切任务。纵观这几十年来国内外相关研究领域对碳纤维增强材料抗氧化性能的研究，在涂层材料的选择和涂层制备工艺上均取得了很大的进展，使原本受制于高温易氧化缺陷的碳纤维增强材料能够在复杂的有氧环境中广泛使用，特别是在航空航天领域更是得到了很宽的拓展。目前关于在1500℃长时间使用的涂层已经较为广泛地报道，单一涂层已经不能满足航空航天领域对材料性能不断提高的要求，复合涂层体系在更高温度和全温度范围抗氧化性能远优于单一涂层，因此，深入研究复合涂层体系，通过改变涂层体系的材料组分、优化制备工艺和优化涂层的结构设计等来进一步提高涂层的抗氧化、抗热震、耐腐蚀等综合性能显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：针对单层涂层制备虽然简单，但是其抗氧化效果只能针对一定范围的温度，难以从碳纤维开始氧化温度到目标温度全程范围进行抗氧化保护，且保护时间较短，很难满足优异的超高温材料抗氧化涂层要求的问题，提供了一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：（1）将碳纤维浸泡在丙酮中超声清洗，再水洗干燥后浸泡在质量分数为10%硝酸溶液中1～2h，水洗干燥得预处理碳纤维；（2）将预处理碳纤维浸渍在质量分数为3～5%全氢聚硅氮烷正丁醚溶液中保温反应1～2h，冷却至室温得浸渍碳纤维；（3）取偏磷酸钠、氧化镁、磷酸二氢钙、氧化镧、氟化钠加入磷酸中搅拌加热至沸腾，再加入浸渍碳纤维搅拌30～40min后取出并转入管式炉中煅烧1～2h，冷却至室温后得抗氧化涂层碳纤维。步骤（1）所述超声清洗过程为以300W超声波超声清洗20～30min。步骤（1）所述碳纤维与丙酮、硝酸溶液的质量比为1：6：6～1：20：20。步骤（2）所述预处理碳纤维与全氢聚硅氮烷正丁醚溶液的质量比为1：5～1：20。步骤（2）所述保温反应温度为100～120℃。步骤（3）所述偏磷酸钠、氧化镁、磷酸二氢钙、氧化镧、氟化钠、磷酸、浸渍碳纤维的重量份为0.6～1.2份偏磷酸钠，0.05～0.10份氧化镁，0.12～0.24份磷酸二氢钙，0.01～0.02g氧化镧，0.01～0.02份氟化钠，10～20份磷酸，1～2份浸渍碳纤维。步骤（3）所述煅烧过程为在氩气氛围下，以500～600℃煅烧1～2h。本专利技术与其他方法相比，有益技术效果是：本专利技术以全氢聚硅氮烷为原料，采用浸渍热转化方法，在碳纤维表面成功包覆硅氧氮涂层，大量全氢聚硅氮烷填充在碳纤维表面孔隙中，既能够提高高孔隙率碳纤维复合材料的力学强度，又能在高温氧化过程中迅速吸收空气中的氧分子，在材料表面形成整体保护，阻碍氧气分子进入材料内部，保护碳纤维不被氧化，从而显著提高碳纤维的抗氧化性能，同时为后续抗氧化层提供更多活性位点，在P2O5中引入Na2O，使P2O5结构中桥氧键断裂生成非桥氧键，使分子链变短，而位于P四面体楞角上的Na+则增强了磷氧分子间的结合力，使分子更加稳定，可以承受更高的温度，在P2O5中继续引入MgO，使P2O5结构中更多的桥氧键断裂生成非桥氧键，使分子链变短，生成了更加稳定的O—Mg—O键，在磷酸盐大分子中起到骨架的作用，引入CaO起到与MgO相似的作用，但Ca—O键长高于Mg—O，可以连接起更广范围的O，从而进一步提高大分子的稳定性，NaF浸渍样中F-的引入形成与磷酸盐中阳离子的静电作用，从而加强分子间的结合力，起到了促进磷化成膜的作用，在碳纤维的表面及开口气孔内形成一层结构致密的玻璃状填充物，渗透到碳纤维的组织孔隙内，使材料的抗氧化性得到明显提高。具体实施方式将3～5g碳纤维浸泡在30～60g丙酮中，以300W超声波超声清洗20～30min，再用去离子水洗涤碳纤维3～5次，在100～110℃烘箱中干燥1～2h后浸泡在30～60g质量分数为10%硝酸溶液中1～2h，用去离子水洗涤至清洗液清澈后转入100～110℃烘箱中干燥至恒重，得预处理碳纤维，将1～2g预处理碳纤维浸渍在10～20g质量分数为3～5%全氢聚硅氮烷正丁醚溶液中，在100～120℃下保温反应1～2h，冷却至室温得浸渍碳纤维，取0.6～1.2g偏磷酸钠，0.05～0.10g氧化镁，0.12～0.24g磷酸二氢钙，0.01～0.02g氧化镧，0.01～0.02g氟化钠，加入10～20g磷酸中，以300～400r/min搅拌加热至沸腾，再加入1～2g浸渍碳纤维，继续搅拌30～40min后取出并转入管式炉中，在氩气氛围下，以500～600℃煅烧1～2h，冷却至室温后得抗氧化涂层碳纤维。实例1将3g碳纤维浸泡在30g丙酮中，以300W超声波超声清洗20min，再用去离子水洗涤碳纤维3次，在100℃烘箱中干燥1h后浸泡在30g质量分数为10%硝酸溶液中1h，用去离子水洗涤至清洗液清澈后转入100℃烘箱中干燥至恒重，得预处理碳纤维，将1g预处理碳纤维浸渍在10g质量分数为3%全氢聚硅氮烷正丁醚溶液中，在100℃下保温反应1h，冷却至室温得浸渍碳纤维，取0.6g偏磷酸钠，0.05g氧化镁，0.12g磷酸二氢钙，0.01g氧化镧，0.01g氟化钠，加入10g磷酸中，以300r/min搅拌加热至沸腾，再加入1g浸渍碳纤维，继续搅拌30min后取出并转入管式炉中，在氩气氛围下，以500℃煅烧1h，冷却至室温后得抗氧化涂层碳纤维。实例2将4g碳纤维浸泡在40g丙酮中，以300W超声波超声清洗25min，再用去离子水洗涤碳纤维4次，在105℃烘箱中干燥1h后浸泡在40g质量分数为10%硝酸溶液中1h，用去离子水洗涤至清洗液清澈后转入100℃烘箱中干燥至恒重，得预处理碳纤维，将1g预处理碳纤维浸渍在15g质量分数为4%全氢聚硅氮烷正丁醚溶液中，在110℃下保温反应1h，冷却至室温得浸渍碳纤维，取1.0g偏磷酸钠，0.08g氧化镁，0.16g磷酸二氢钙，0.01g氧化镧，0.01g氟化钠，加入15g磷酸中，以300r/min搅拌加热至沸腾，再加入1g浸渍碳纤维，继续搅拌30min后取出并转入管式炉中，在氩气氛围下，以550℃煅烧1h，冷却至室温后得抗氧化涂层碳纤维。实例3将5g碳纤维浸泡在60g丙酮中，以300W超声波超声清洗30min，再用去离子水洗涤碳纤维5次，在110℃烘箱中干燥2h后浸泡在60g质量分数为10%硝酸溶液中2h，用去离子水洗涤至清洗液清澈后转入110℃烘箱中干燥至恒重，得预处理碳纤维，将2g预处理碳纤维浸渍在20g质量分数为5%全氢聚硅氮烷正丁醚溶液中，在120℃下保温反应2h，冷却至室温得浸渍碳纤维，取1.2g偏磷酸钠，0.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：（1）将碳纤维浸泡在丙酮中超声清洗，再水洗干燥后浸泡在质量分数为10%硝酸溶液中1～2h，水洗干燥得预处理碳纤维；（2）将预处理碳纤维浸渍在质量分数为3～5%全氢聚硅氮烷正丁醚溶液中保温反应1～2h，冷却至室温得浸渍碳纤维；（3）取偏磷酸钠、氧化镁、磷酸二氢钙、氧化镧、氟化钠加入磷酸中搅拌加热至沸腾，再加入浸渍碳纤维搅拌30～40min后取出并转入管式炉中煅烧1～2h，冷却至室温后得抗氧化涂层碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：（1）将碳纤维浸泡在丙酮中超声清洗，再水洗干燥后浸泡在质量分数为10%硝酸溶液中1～2h，水洗干燥得预处理碳纤维；（2）将预处理碳纤维浸渍在质量分数为3～5%全氢聚硅氮烷正丁醚溶液中保温反应1～2h，冷却至室温得浸渍碳纤维；（3）取偏磷酸钠、氧化镁、磷酸二氢钙、氧化镧、氟化钠加入磷酸中搅拌加热至沸腾，再加入浸渍碳纤维搅拌30～40min后取出并转入管式炉中煅烧1～2h，冷却至室温后得抗氧化涂层碳纤维。2.如权利要求1所述的一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述超声清洗过程为以300W超声波超声清洗20～30min。3.如权利要求1所述的一种抗氧化涂层碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述碳纤维与丙酮、硝酸溶液的质量比为1：6：6～1：2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘菊花，张桂芳，朱华，
申请(专利权)人：佛山腾鲤新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44