一种高导热碳纤维表面氧化铝-氧化锆复合涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导热碳纤维表面氧化铝‑氧化锆复合涂层的制备方法，该方法为溶胶凝胶法。过程包括碳纤维表面的预处理；复合溶胶的制备；预处理后碳纤维的涂覆和干燥处理；涂覆复合溶胶后碳纤维的较低温度热处理。通过这个过程从而获得氧化铝‑氧化锆复合涂层涂覆的碳纤维。本发明专利技术制备的复合涂层晶型是γ‑Al

【技术实现步骤摘要】
一种高导热碳纤维表面氧化铝-氧化锆复合涂层的制备方法
本专利技术涉及高导热碳纤维增强铝基复合材料领域，具体而言，涉及一种高导热碳纤维表面氧化铝-氧化锆复合涂层的制备方法。
技术介绍
高导热碳纤维既具有聚丙烯氰基碳纤维高强高模、低热膨胀系数、低密度和耐腐蚀等优点，又具有单向高热导率独特的优点，因此常作为增强体来提高复合材料的热学性能和力学性能，其复合材料被广泛应用于航空、航天、机械、电子等领域。然而，碳纤维的抗氧化性能差，在空气中400℃左右就开始氧化，而且碳纤维与铝的润湿性差，高温复合时，甚至会在界面处发生反应生成脆性的，易潮解的Al4C3相，Al4C3本身导热性较差，而且破坏了高导热碳纤维的表面结构，减小了碳纤维的重量，降低了碳纤维的导热性，因此会影响复合材料的热学性能，限制其应用范围。研究表明对碳纤维进行表面涂层处理能够解决存在的上述问题，此外，选择合适的表面涂层既能提高碳纤维的抗氧化性能，又能改善碳纤维与铝基体之间的润湿性，而且阻碍了高温复合时碳纤维与铝基体之间的界面反应，减少了Al4C3的生成，使碳纤维的表面结构保持完整，从而提高碳纤维增强铝基复合材料的导热性能，扩大其应用范围。目前，对碳纤维进行表面涂层处理的方法主要包括物理气相沉积法、化学气相沉积法和溶胶-凝胶法。其中溶胶-凝胶法的优势在于对设备和操作环境要求低，同时能较好的解决碳纤维表面的均匀涂覆问题。2014年，中国专利技术专利CN103643481A公开了一种碳纤维表面氧化铝涂层的制备方法，以硝酸铝为原料，采用溶胶-凝胶法，经过75～95℃水解，保温1～2h，一段时间的陈化后形成溶胶，涂覆碳纤维后经过1000℃热处理获得α-Al2O3涂层。其主要存在的问题是热处理温度高，不符合节能要求；另外对于二元及二元以上的多元溶胶涂覆碳纤维时，不仅存在高温热处理问题，而且所制备的涂层易出现裂纹及脱落现象，影响碳纤维在铝基复合材料中的应用。氧化铝-氧化锆复合涂层稳定性较好，不仅如此，它兼具氧化锆涂层良好的高温性能和相变韧性等优点以及氧化铝涂层耐腐蚀，抗氧化以及与铝润湿性好等优点。通过检索现有专利与文献发现，2018年，中国专利技术专利CN109160529A公开了一种氧化铝-氧化锆高温抗氧化复合层的制备方法，将ZrAl2合金块体进行打磨和抛光，表面光亮平整无划痕后，清洗干燥；接着放入真空密闭环境并通入纯氧，在恒温恒压下于850～950℃氧化6～24h，得到氧化铝-氧化锆高温抗氧化复合层。文献“PreparationofZrO2–Al2O3compositemembranesbysol-gelprocessandtheircharacterization”(溶胶-凝胶法制备ZrO2-Al2O3复合膜及其表征)(MaterialsScienceandEngineeringA,Vol.367(2004)243-247)以异丙醇铝为原料，加入去离子水和硝酸，在80℃水解12h制备得到勃姆石溶胶；以次氯酸锆为原料，加入去离子水和阴离子交换树脂，得到含锆溶胶；将勃姆石溶胶和含锆溶胶混合，加入聚乙烯醇，得到混合溶胶。文献“Microstructureofsol–gelsynthesizedAl2O3–ZrO2(Y2O3)nano-compositesstudiedbytransmissionelectronmicroscopy”(通过透射电镜研究溶胶-凝胶法制备的纳米复合材料Al2O3–ZrO2(Y2O3)的微观结构)(MaterialsLetters,Vol.59(2005)355-360)以仲丁醇铝为原料，加入乙二醇单乙醚和异丙醇，在90±8℃水解4h得到氧化铝溶胶，然后滴加正丁醇锆，最后加入去离子水和硝酸钇，搅拌得到复合溶胶。上述专利与文献中制备氧化铝-氧化锆复合涂层方法的主要缺点在于：(1)采用化学沉积法制备氧化铝-氧化锆复合涂层，制备条件苛刻，能耗大，而且不适合碳纤维材料(2)溶胶凝胶法制备氧化铝-氧化锆复合涂层，原材料较为昂贵而且有毒(3)在制备氧化铝溶胶过程中需要长时间水解及老化才能获得，效率低，浪费能源。此外，上述专利与文献中只涉及到制备氧化铝-氧化锆复合涂层的方法，未应用于碳纤维中。因为氧化铝-氧化锆复合涂层属于二元溶胶涂覆，涂覆碳纤维后在热处理过程中很容易开裂。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种高导热碳纤维表面氧化铝-氧化锆复合涂层的制备方法。该方法工艺较简单、热处理温度较低、对设备和操作环境要求低、制造成本低廉，制备的复合涂层在连续纤维上涂覆完整、厚度可控、可提高碳纤维抗氧化性能，改善碳纤维增强铝基复合材料的导热性能。本专利技术是通过以下技术方案实现的：首先对高导热碳纤维进行预处理(除胶，清洗和干燥)，然后采用硝酸锆为原料制备含锆溶胶，采用硝酸铝为原料制备勃姆石溶胶，两溶胶混合得到复合溶胶，再将预处理的碳纤维进行涂覆处理，获得涂覆有复合溶胶的碳纤维，干燥后得到涂覆有复合凝胶的碳纤维，最后将涂覆凝胶的碳纤维在气氛保护下较低温度热处理获得具有氧化铝-氧化锆复合涂层的碳纤维。本专利技术所述的高导热碳纤维表面氧化铝-氧化锆复合涂层的制备方法，具体包括以下步骤：(1)将碳纤维加热至380～450℃，保温10～30min除胶；将冷却后的碳纤维浸入丙酮中60～120min完全除胶；用去离子水清洗完全除胶后的碳纤维，然后将碳纤维于70～90℃条件下真空干燥2～4h；(2)将硝酸锆和硝酸钇混合配成溶液，向溶液中滴加草酸溶液，然后加入聚乙烯醇和丙三醇，最后放入80～100℃水浴中保持搅拌0.5～1h，即得蓝色透明的含锆溶胶；向硝酸铝溶液中滴加氨水溶液，持续搅拌30～50min，获得有乳白色溶液，然后抽滤，用去离子水清洗数次，于60～90℃干燥后得到乳白色沉淀，往乳白色沉淀中加入去离子水，然后滴加硝酸溶液，加入聚乙烯醇，最后放入80～100℃的水浴中保持搅拌1～2h，即得到澄清透明的勃姆石溶胶；将含锆溶胶和勃姆石溶胶混合，放入80～100℃的水浴中保持搅拌10～30min，即得到淡蓝色透明的复合溶胶。(3)将经过步骤(1)处理后的碳纤维超声浸渍于步骤(2)得到的复合溶胶中，滤掉复合溶胶，然后于50～80℃真空干燥12～24h，获得涂覆有复合凝胶的碳纤维；(4)将上述(3)得到的碳纤维在氩气气氛下热处理，以1～3℃/min的升温速度加热到400℃，保温20～50min；再以4～8℃/min的升温速度加热到热处理温度为600～800℃，保温1～3h，获得涂覆有氧化铝-氧化锆复合涂层的碳纤维。优选的，本专利技术中步骤(1)中所述的热碳纤维是指热导率大于300W/(m·K)的碳纤维。优选的，本专利技术中步骤(2)中所述的硝酸锆与硝酸钇的摩尔比在94:6到97:3之间。优选的，本专利技术中步骤(2)中所述的硝酸锆与草酸的摩尔比在4:1到6:1之间。优选的，本专利技术中步骤(2)中所述的氨水与硝酸铝的摩尔比在3:1到6:1之间。优选的，本专利技术中步骤(2)中所述聚乙烯醇在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导热碳纤维表面氧化铝-氧化锆复合涂层的制备方法，具体包括以下步骤：/n(1)将碳纤维加热至380～450℃，保温10～30min除胶；将冷却后的碳纤维浸入丙酮中60～120min完全除胶；用去离子水清洗完全除胶后的碳纤维，然后将碳纤维于70～90℃条件下真空干燥2～4h；/n(2)将硝酸锆和硝酸钇混合配成溶液，向溶液中滴加草酸溶液，然后加入聚乙烯醇和丙三醇，最后放入80～100℃水浴中保持搅拌0.5～1h，即得蓝色透明的含锆溶胶；/n向硝酸铝溶液中滴加氨水溶液，持续搅拌30～50min，获得乳白色溶液，然后抽滤，用去离子水清洗数次，于60～90℃干燥后得到乳白色沉淀，往乳白色沉淀中加入去离子水，然后滴加硝酸溶液，加入聚乙烯醇，最后放入80～100℃的水浴中保持搅拌1～2h，即得到澄清透明的勃姆石溶胶；将含锆溶胶和勃姆石溶胶两种溶胶混合，放入80～100℃的水浴中保持搅拌10～30min，即得到淡蓝色透明的复合溶胶；/n(3)将经过步骤(1)处理后的碳纤维超声浸渍于步骤(2)得到的复合溶胶中进行涂覆，滤掉复合溶胶，然后于50～80℃真空干燥12～24h，获得涂覆有复合凝胶的碳纤维；/n(4)将上述(3)得到的碳纤维在氩气气氛下热处理，以1～3℃/min的升温速度加热到400℃，保温20～50min；再以4～8℃/min的升温速度加热到热处理温度为600～800℃，保温1～3h，获得涂覆有氧化铝-氧化锆复合涂层的碳纤维。/n...

【技术特征摘要】
1.一种导热碳纤维表面氧化铝-氧化锆复合涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将碳纤维加热至380～450℃，保温10～30min除胶；将冷却后的碳纤维浸入丙酮中60～120min完全除胶；用去离子水清洗完全除胶后的碳纤维，然后将碳纤维于70～90℃条件下真空干燥2～4h；
(2)将硝酸锆和硝酸钇混合配成溶液，向溶液中滴加草酸溶液，然后加入聚乙烯醇和丙三醇，最后放入80～100℃水浴中保持搅拌0.5～1h，即得蓝色透明的含锆溶胶；
向硝酸铝溶液中滴加氨水溶液，持续搅拌30～50min，获得乳白色溶液，然后抽滤，用去离子水清洗数次，于60～90℃干燥后得到乳白色沉淀，往乳白色沉淀中加入去离子水，然后滴加硝酸溶液，加入聚乙烯醇，最后放入80～100℃的水浴中保持搅拌1～2h，即得到澄清透明的勃姆石溶胶；将含锆溶胶和勃姆石溶胶两种溶胶混合，放入80～100℃的水浴中保持搅拌10～30min，即得到淡蓝色透明的复合溶胶；
(3)将经过步骤(1)处理后的碳纤维超声浸渍于步骤(2)得到的复合溶胶中进行涂覆，滤掉复合溶胶，然后于50～80℃真空干燥12～24h，获得涂覆有复合凝胶的碳纤维；
(4)将上述(3)得到的碳纤维在氩气气氛下热处理，以1～3℃/min的升温速度加热到400℃，保温20～50min；再以4～8℃/min的升温速度加热到热处理温度为600～800℃，保温1～3h，获得涂覆有氧化铝-氧化锆复合涂层的碳纤维。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的热碳纤维是指热导率大于300W/(m.K)的碳纤维。


3.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳求保，朱城楠，曹贺，
申请(专利权)人：苏州优越新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32