本發(fā)明屬于改性碳纖維材料的制備，具體涉及一種迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、碳纖維材料具有耐摩擦、導(dǎo)熱、耐腐蝕等特性以及高的比強(qiáng)度和比模量。然而當(dāng)溫度高于400℃的時(shí)候碳纖維開始氧化，氧化導(dǎo)致的碳纖維材料比強(qiáng)度和比模量均下降，從而嚴(yán)重影響碳纖維材料的使用壽命，因此延緩或者阻止碳纖維的氧化具有重要意義。氮化硅納米材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫性佳、柔韌性好、耐腐蝕等優(yōu)異的性能。在碳纖維表面施加氮化硅納米線是延緩碳纖維氧化的有效手段，氮化硅納米材料的不同生長形態(tài)具有不同的孔隙結(jié)構(gòu)，對阻礙熱量傳遞和氧氣隔絕效果不同，具有不同的抗氧化效果。因此在碳纖維表面制備形貌特殊的氮化硅納米結(jié)構(gòu)對于提升碳纖維的抗氧化能力具有重要價(jià)值。

2、文獻(xiàn)1“一種提高碳纖維高溫抗氧化性能的方法”報(bào)道了用凹凸棒石涂層包覆碳纖維，所得改性碳纖維材料在600℃氧化條件下失重率為65%。

3、文獻(xiàn)2“improvement?of?carbon?fiber?oxidation?resistance?by?thinceramic?coating?using?silica?particles”報(bào)道了在碳纖維表面制備氮化硅涂層，熱重分析結(jié)果顯示在600℃下該材料氧化失重率為40%。

4、上述文獻(xiàn)通過在碳纖維表面制備不同種類的涂層，來抵抗高溫環(huán)境下碳纖維材料的氧化。但是上述文獻(xiàn)中改性的碳纖維材料在承受600℃以上高溫時(shí)氧化失重率較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料及其制備方法，氮化硅納米線圍繞碳納米管改性碳纖維成迸發(fā)式輻射生長，生長有上述形貌氮化硅納米線的碳纖維材料具有良好的抗氧化性能，降低了在高溫下碳纖維材料的失重率，延長了其在較高溫度氧化條件下材料的使用時(shí)間。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供了一種迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料，包括氮化硅納米線和碳納米管改性碳纖維；所述氮化硅納米線圍繞碳納米管改性碳纖維呈迸發(fā)式輻射生長；所述氮化硅納米線在碳納米管改性碳纖維表面交叉覆蓋形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；所述碳納米管改性碳纖維周圍具有雙層孔隙結(jié)構(gòu)，所述雙層孔隙結(jié)構(gòu)為碳納米管改性碳纖維與氮化硅納米線之間的孔隙和氮化硅納米線之間的微納級孔隙。

4、在一實(shí)施方式中，所述碳納米管改性碳纖維由碳納米管在碳纖維表面原位生長制得，所述碳納米管作為中間體，以碳納米管尾端的催化劑鐵元素作為氮化硅納米線的形核位點(diǎn)以形成迸發(fā)式輻射生長的氮化硅納米線。

5、本發(fā)明還提供了一種所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，包括以下步驟：

6、均勻混合二茂鐵、乙二胺和無水乙醇溶液，獲得混合溶液；

7、將清洗之后的碳纖維置于化學(xué)氣相沉積管式爐中，升溫至第一設(shè)定溫度后在第一設(shè)定溫度下保溫，將混合溶液注射至化學(xué)氣相沉積管式爐中，后冷卻取出碳納米管改性碳纖維；

8、均勻混合聚硅氮烷、二茂鐵和二甲苯，攪拌均勻后自然風(fēng)干再研磨，獲得粉末樣品；

9、以碳納米管改性碳纖維作為上蓋，并將粉末樣品置于碳納米管改性碳纖維的下方設(shè)置的u型石墨盒中，將上蓋和u型石墨盒對扣得到樣品；

10、將樣品置于氣氛爐中，通入氮?dú)?，加熱至第二設(shè)定溫度后在第二設(shè)定溫度下保溫，后自然冷卻，制得具有迸發(fā)式輻射生長形貌的氮化硅納米線改性碳纖維材料；

11、其中，所述氮?dú)獾臍怏w流量為800~1200ml/min。

12、在一實(shí)施方式中，所述清洗的過程如下：將碳纖維浸泡于丙酮中后烘干進(jìn)行清洗；所述浸泡的時(shí)間為12~48h，所述烘干的時(shí)間為6~12h。

13、在一實(shí)施方式中，所述第一設(shè)定溫度為800~850℃，所述第一設(shè)定溫度下保溫的時(shí)間為4~6h。

14、在一實(shí)施方式中，所述混合溶液注射的速度為8~12ml/h，所述混合溶液注射的時(shí)間為20~40min。

15、在一實(shí)施方式中，所述二茂鐵與無水乙醇溶液的質(zhì)量比為1：（60~65），所述乙二胺與無水乙醇溶液的質(zhì)量比為1：（15~20）。

16、在一實(shí)施方式中，所述聚硅氮烷、二茂鐵和二甲苯的質(zhì)量比為1：（9~10）：（17~18）。

17、在一實(shí)施方式中，所述u型石墨盒中的粉末樣品的用量為0.04~0.05?g/cm2。

18、在一實(shí)施方式中，所述第二設(shè)定溫度為1430~1480℃，所述第二設(shè)定溫度下保溫的時(shí)間為2~3h。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

20、本發(fā)明提供了一種迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料，氮化硅納米線圍繞碳納米管改性碳纖維呈迸發(fā)式輻射生長，迸發(fā)輻射式生長的氮化硅納米線的存在，使在碳納米管改性碳纖維周圍存在雙層孔隙結(jié)構(gòu)，碳納米管改性碳纖維與氮化硅納米線之間孔隙較大，在氮化硅納米線之間存在著微納級別的孔隙，兩種孔隙增加了空氣振動、阻擋了熱量傳遞，增加了碳纖維材料和氧氣的阻礙，阻擋了氧氣與碳纖維的接觸，提高了材料的抗氧化性能。氮化硅材料本身是陶瓷材質(zhì)，氮化硅納米線在碳纖維表面形成了交叉覆蓋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氮化硅納米線的交叉覆蓋阻礙熱量傳遞和碳纖維與氧氣的接觸，從而提高了碳纖維材料的抗氧化性能，延緩了碳纖維材料在較高溫度下的氧化進(jìn)程。

21、進(jìn)一步的，在碳纖維表面引入碳納米管作為中間體，對氮化硅納米線的生長形式進(jìn)行優(yōu)化，提高了碳纖維材料的抗氧化性能。碳納米管被引入并原位生長在碳纖維布表面制得碳納米管改性碳纖維，碳納米管不僅增強(qiáng)了碳纖維與后續(xù)氮化硅納米線之間的結(jié)合力，還通過其尾端的鐵元素作為形核催化劑，為氮化硅納米線的生長提供了必要的催化位點(diǎn)。利用碳納米管尾端的鐵元素作為催化劑，氮化硅納米線在碳納米管改性碳纖維表面呈現(xiàn)出迸發(fā)式輻射生長形態(tài)。

22、本發(fā)明還提供了上述一種迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，在強(qiáng)氣流沖刷下，氮化硅納米線圍繞碳納米管改性碳纖維呈迸發(fā)式輻射生長。

技術(shù)特征：

1.一種迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料，其特征在于，包括氮化硅納米線和碳納米管改性碳纖維；所述氮化硅納米線圍繞碳納米管改性碳纖維呈迸發(fā)式輻射生長；所述氮化硅納米線在碳納米管改性碳纖維表面交叉覆蓋形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；所述碳納米管改性碳纖維周圍具有雙層孔隙結(jié)構(gòu)，所述雙層孔隙結(jié)構(gòu)為碳納米管改性碳纖維與氮化硅納米線之間的孔隙和氮化硅納米線之間的微納級孔隙。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料，其特征在于，所述碳納米管改性碳纖維由碳納米管在碳纖維表面原位生長制得，所述碳納米管作為中間體，以碳納米管尾端的催化劑鐵元素作為氮化硅納米線的形核位點(diǎn)以形成迸發(fā)式輻射生長的氮化硅納米線。

3.一種根據(jù)權(quán)利要求1至2任意一項(xiàng)所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，其特征在于，所述清洗的過程如下：將碳纖維浸泡于丙酮中后烘干進(jìn)行清洗；所述浸泡的時(shí)間為12~48h，所述烘干的時(shí)間為6~12h。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，其特征在于，所述第一設(shè)定溫度為800~850℃，所述第一設(shè)定溫度下保溫的時(shí)間為4~6h。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，其特征在于，所述混合溶液注射的速度為8~12ml/h，所述混合溶液注射的時(shí)間為20~40min。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，其特征在于，所述二茂鐵與無水乙醇溶液的質(zhì)量比為1：（60~65），所述乙二胺與無水乙醇溶液的質(zhì)量比為1：（15~20）。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，其特征在于，所述聚硅氮烷、二茂鐵和二甲苯的質(zhì)量比為1：（9~10）：（17~18）。

9.?根據(jù)權(quán)利要求3所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，其特征在于，所述u型石墨盒中的粉末樣品的用量為0.04~0.05?g/cm2。

10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料的制備方法，其特征在于，所述第二設(shè)定溫度為1430~1480℃，所述第二設(shè)定溫度下保溫的時(shí)間為2~3h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料及其制備方法，屬于改性碳纖維材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。該迸發(fā)式輻射生長氮化硅納米線改性碳纖維材料，包括氮化硅納米線和碳納米管改性碳纖維；氮化硅納米線圍繞碳納米管改性碳纖維呈迸發(fā)式輻射生長；氮化硅納米線在碳納米管改性碳纖維表面交叉覆蓋形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；碳納米管改性碳纖維周圍具有雙層孔隙結(jié)構(gòu)，雙層孔隙結(jié)構(gòu)為碳納米管改性碳纖維與氮化硅納米線之間的孔隙和氮化硅納米線之間的微納級孔隙。生長有上述形貌氮化硅納米線的碳纖維材料具有良好的抗氧化性能，降低了在高溫下碳纖維材料的失重率，延長了其在較高溫度氧化條件下材料的使用時(shí)間。

技術(shù)研發(fā)人員：張磊磊,劉琪,李夢嬌,李海洋,李賀軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9