碳纖維表面氧化鋁涂層的制備及性能研究.pdf

1、碳纖維及其復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的性能在軍事、航空航天、商用、民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，科技的不斷發(fā)展對(duì)碳纖維的性能提出了更高的要求。本文以異丙醇鋁為前驅(qū)體、硝酸為膠溶劑，利用溶膠凝膠法在碳纖維表面制備氧化鋁涂層，對(duì)溶膠的轉(zhuǎn)變機(jī)理以及氧化鋁涂層對(duì)纖維的電阻率、潤(rùn)濕性、抗拉強(qiáng)度和抗氧化性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　采用正交實(shí)驗(yàn)法研究溶膠制備工藝各影響因素對(duì)溶膠性能的影響，結(jié)果表明:在溶膠制備過程中溫度、反應(yīng)時(shí)間以及硝酸量對(duì)粒徑大小和

2、溶膠粒徑分布均有影響，影響大小的順序都為:硝酸量＞溫度＞反應(yīng)時(shí)間。確定了溶膠的最佳制備工藝為:前驅(qū)體溶液90℃水浴攪拌12h，逐滴加入硝酸0.030mol，靜置12h。傅里葉紅外變換光譜(FTIR)結(jié)果表明60～90℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)凝膠的分子結(jié)構(gòu)影響不大。X射線衍射(XRD)測(cè)試結(jié)果表明:按照本文實(shí)驗(yàn)工藝制備的干凝膠為AlOOH，衍射峰寬化，晶粒細(xì)小。
　　AlOOH凝膠在熱處理過程中，隨著溫度的升高，失重量增加，其中在100℃、

3、200℃、400℃時(shí)失重最迅速，對(duì)應(yīng)的是溶劑蒸發(fā)、結(jié)構(gòu)水的脫除以及有機(jī)醇的蒸發(fā)分解。當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，失重停止，開始陶瓷化轉(zhuǎn)變，凝膠收率為55％。在進(jìn)行無機(jī)化轉(zhuǎn)變時(shí)，隨著溫度的升高，氧化鋁的晶型不斷變化，其晶相轉(zhuǎn)變順序?yàn)?AlOOH→γ-Al2O3→δ-Al2O3→θ-Al2O3→α-Al2O3。
　　對(duì)不同溫度下制備的氧化鋁涂層的比表面積及孔徑進(jìn)行分析，結(jié)果表明:涂層的等溫吸脫附曲線為介孔材料的特征吸附曲線，曲線存在滯留回環(huán)

4、，說明在吸脫附過程中發(fā)生毛細(xì)冷凝現(xiàn)象。隨著熱處理溫度的升高，氧化鋁涂層的比表面積逐漸降低，晶粒長(zhǎng)大伴隨孔徑的增大，孔隙率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在1200℃條件下，保溫2h，晶型完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3，此時(shí)由于體積收縮以及高溫致密化的作用，孔隙率降低，比表面積降至最低。
　　為提高溶膠對(duì)碳纖維的潤(rùn)濕性，對(duì)T300和T700碳纖維進(jìn)行除膠和液相氧化預(yù)處理，經(jīng)400℃氮?dú)獗Ｗo(hù)處理1h后，碳纖維失重約1.0％，掃描電子顯微鏡(SEM)

5、結(jié)果顯示碳纖維表面的上漿劑基本除凈。經(jīng)70℃水浴硝酸氧化處理后，碳纖維表面的氧元素含量升高，碳纖維表面的含氧官能團(tuán)增加，有利于溶膠對(duì)碳纖維的潤(rùn)濕，為后續(xù)在碳纖維表面制備均勻的氧化鋁涂層奠定了基礎(chǔ)。
　　對(duì)涂覆在碳纖維表面的凝膠進(jìn)行熱處理，使其在碳纖維表面發(fā)生原位陶瓷化轉(zhuǎn)變，研究結(jié)果表明:溶膠濃度在0.2～0.3mol/L范圍內(nèi)，溫度1200℃，保溫2h，制備的氧化鋁涂層厚度均勻，纖維分散性好。在相同的制備條件下，活性碳纖維(P-A

6、CF)因?yàn)橛懈蟮谋缺砻娣e和微孔結(jié)構(gòu)對(duì)溶膠的吸附能力更強(qiáng)，所制備氧化鋁涂層具有更好的連續(xù)性和完整性。采用兩次凝膠化處理，可以提高碳纖維表面氧化鋁涂層的厚度。碳纖維與涂層之間熱膨脹系數(shù)的差異以及涂層自身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)都會(huì)產(chǎn)生界面內(nèi)應(yīng)力，易導(dǎo)致涂層開裂，添加劑聚乙烯醇(PVA)的引入能夠緩解碳纖維和涂層之間的應(yīng)力，有利于提高涂層的連續(xù)性和完整性。在反應(yīng)劇烈的溫度點(diǎn)附近設(shè)置保溫點(diǎn)，并以1℃/min的升降溫速率進(jìn)行熱處理，有利于在碳纖維表面獲得均勻

7、連續(xù)完整的涂層。
　　對(duì)本課題獲得的氧化鋁涂層碳纖維進(jìn)行電性能測(cè)試，液硫潤(rùn)濕性測(cè)試、抗拉強(qiáng)度測(cè)試以及抗氧化性能測(cè)試研究，結(jié)果表明:涂層碳纖維整體的電阻率由碳纖維本體的電阻率決定，氧化鋁涂層對(duì)其影響不大。T300和T700碳纖維電阻率隨熱處理溫度的升高變化不明顯且電阻率明顯低于活性碳纖維。活性碳纖維在溶膠熱處理過程中隨著熱處理溫度的升高，R值降低，石墨化程度提高，La、Lc增大，電阻率明顯降低。纖維對(duì)硫的吸附曲線以及SEM結(jié)果表明:

8、纖維表面氧化鋁涂層的制備降低了碳纖維對(duì)硫的吸附量，涂層后碳纖維表面附著的硫明顯減少，硫?qū)μ祭w維的潤(rùn)濕性明顯降低，該特性對(duì)碳纖維用做鈉硫電池正極材料，有效提高鈉硫電池的充放電特性意義重大。氧化鋁涂層碳纖維的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明:表面除膠及液相氧化處理對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)有所損傷，纖維拉伸強(qiáng)度明顯降低，涂覆涂層之后纖維強(qiáng)度較預(yù)處理后有所提升，但仍低于初始強(qiáng)度。氧化鋁涂層碳纖維抗氧化結(jié)果表明:氧化鋁涂層阻礙了纖維與氧氣的直接接觸，降低了氧氣的滲透速率