炭纖維表面CVD法原位生長納米炭纖維-碳管及其在C-C復(fù)合材料中的應(yīng)用.pdf

1、C/C復(fù)合材料以其特殊的性能早已廣泛地應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域。但在C/C復(fù)合材料生產(chǎn)中，熱解炭結(jié)構(gòu)不易控制，且與炭纖維之間容易產(chǎn)生環(huán)狀微裂紋，這都影響C/C復(fù)合材料的性能。由于炭纖維是C/C復(fù)合材料的重要組成相，其表面結(jié)構(gòu)和性能都直接影響到C/C復(fù)合材料的性能。為此，本研究采用納米炭纖維/納米碳管(carbonnanofibers/nanotubes，CNFs/CNTs)對(duì)炭纖維表面進(jìn)行改性處理，并作為“橋梁”來二次增強(qiáng)C/C復(fù)合材料，期

2、望它能加強(qiáng)基體炭與炭纖維之間的結(jié)合，改變熱解炭的微觀結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能等。 本文采用KOH-浸漬-還原法在炭纖維表面涂層納米催化劑顆粒，再用CVD法原位催化生長CNFs/CNTs，最后用CVI技術(shù)沉積熱解炭合成納米炭纖維(管)/炭/炭復(fù)合材料。探討了催化劑種類、催化劑前驅(qū)體溶液濃度、還原溫度和時(shí)間、CVD裂解溫度和時(shí)間、碳源氣體、CO/H<,2>之比、促生劑硫?qū)NFs/CNTs生長的影響，并討論分析CNFs/CNTs

3、的生長機(jī)制。還對(duì)CNFs/CNTs對(duì)復(fù)合材料界面微觀結(jié)構(gòu)、石墨化度、導(dǎo)熱性能等進(jìn)行了初步研究。得到以下主要研究成果： (1)用濃硝酸和熱KOH對(duì)炭纖維基體進(jìn)行預(yù)處理，能改變其表面形貌，提高其活性和可潤濕性。 (2)在所選的催化劑Fe、Co、Ni、Mo及其兩者的混合物中，其催化機(jī)制各異。在還原后得到的納米金屬顆粒中，Ni顆粒均勻細(xì)小，催化效果最佳，Co次之，其余的較差。 (3)在浸漬一還原過程中，催化劑前驅(qū)體硝酸鎳

4、溶液濃度、還原溫度和時(shí)間對(duì)納米Ni顆粒和CNFs/CNTs有很大影響。在硝酸鎳溶液濃度0.1 mol/L、還原溫度400～450℃、時(shí)間40～60 min時(shí)，獲得的Ni顆粒粒徑在40 nm左右，適宜大量生長CNFs/CNTs。 (4)在CVD法制備CNFs/CNTs過程中，隨著裂解溫度、時(shí)間及CO/H<,2>之比的變化，得到的CNFs/CNTs產(chǎn)量與形貌各異，甚至無CNFs/CNTs生成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳工藝條件為：裂解溫度700

5、～750℃，時(shí)間30～40 min，CO/H<,2>在1：4左右。還發(fā)現(xiàn)添加適量的促生劑硫，能有效的促進(jìn)CNFs/CNTs生長。 (5)CO裂解是一步岐化反應(yīng)，過程容易控制，得到的CNFs/CNTs相對(duì)較好；而CH<,4>則是復(fù)雜的多步驟反應(yīng)，反應(yīng)不易控制，副產(chǎn)物較多。 (6)在炭纖維表面CVD法原位生長CNFs/CNTs，符合項(xiàng)部生長模式，生長過程基本按照溶解-擴(kuò)散-析出沉積進(jìn)行，其生長驅(qū)動(dòng)力源來自于催化劑顆粒前后面