專利名稱：具有氮化鋁涂層的碳纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳纖維或碳素制品表面涂復(fù)抗氧化增強(qiáng)涂層的領(lǐng)域。
碳纖維是一種常用的復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，它具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度及良好的編織加工性能等優(yōu)點(diǎn)。在中、低溫(T＜800℃)樹(shù)脂基復(fù)合材料中獲得比較廣泛的應(yīng)用。但由于其在氧化氣氛中不能經(jīng)受800～400℃以上的高溫，而且與某些基材浸潤(rùn)性不好，難以形成性能更為優(yōu)良的復(fù)合材料，因而阻礙了碳纖維在航空、航天及軍事等需要輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐溫材料中的應(yīng)用。解決這一問(wèn)題常用的途徑，是在碳纖維或碳素制品表面形成致密的保護(hù)性涂層。在現(xiàn)有技術(shù)中，所采用的涂復(fù)方法有化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)方法、溶液浸漬燒結(jié)法等。其中溶液浸漬燒結(jié)法，具有操作方便、易于放大生產(chǎn)的特點(diǎn)，如西德專利DE3700811在1988年報(bào)導(dǎo)了用聚硅氧烷溶液浸漬碳纖維后燒結(jié)在表面形成Si-C涂層，美國(guó)專利US4910178在1989年報(bào)導(dǎo)用聚硅烷和聚有機(jī)硼硅烷溶液浸漬后燒結(jié)的方法在碳素制品表面形成0.08～1mm厚的抗氧化保護(hù)性陶瓷涂層。上述方法形成的涂層厚度太大，因而不適用于成束碳纖維的單絲表面的涂復(fù)。氮化鋁是一種優(yōu)良的特種陶瓷，具有耐腐蝕、耐高溫、電絕緣、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，在碳纖維表面形成氮化鋁涂層對(duì)改善碳纖維的性能意義極大。1987年B.Armas等人(見(jiàn)The 10th Proe.Int.Conf.C.V.D.(1987)，1060)報(bào)導(dǎo)了用三甲基鋁和氨反應(yīng)，以C.V.D.方法，在電阻加熱的碳纖維表面沉積得到氮化鋁涂層，碳纖維直徑為100～150μm，涂層厚度為20～200μm，因其單絲直徑及涂層厚度太大，而不具有柔順性和可編織性，故限制了其應(yīng)用范圍。這一技術(shù)的直接目的是應(yīng)用于單根粗纖維(如光導(dǎo)纖維)的保護(hù)涂層。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種具有氮化鋁涂層的碳纖維及其制備方法。本發(fā)明的具有氮化鋁涂層的碳纖維微絲直徑小于15μm，氮化鋁涂層厚度小于1μm，涂層平整光滑。
本發(fā)明是采用如下方式實(shí)現(xiàn)的用芳香烴(苯、甲苯、二甲苯)作溶劑溶解烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅(qū)體，將得到的體積濃度小于16%的烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅(qū)體的稀溶液在惰性氣氛中浸漬碳纖維，然后緩慢升溫(t≤5℃/min)，經(jīng)蒸出溶劑、表面固化后，再升溫至1000℃，保持一定時(shí)間以上，使碳纖維表面形成氮化鋁陶瓷保護(hù)層。上述涂復(fù)過(guò)程中，碳纖維在表面固化后可以冷卻至一定溫度，再次用烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅(qū)體的稀溶液浸漬后再燒結(jié)，這個(gè)過(guò)程亦可多次重復(fù)進(jìn)行，以使涂層致密，滿足使用要求。
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下實(shí)例1碳纖維為蘭州碳素廠生產(chǎn)，直徑為5.5～6.5μm，每束碳纖維有1000根單絲，熱氧化溫度為510℃，單絲拉伸強(qiáng)度為2400MPa。經(jīng)過(guò)濃度為8%的二乙基鋁胺先驅(qū)體的二甲苯溶液浸漬后的碳纖維束，以每分鐘5℃的速度升溫至150℃時(shí)恒溫20分鐘，再升至350℃時(shí)恒溫30分鐘，然后升至1000℃，恒溫10小時(shí)后冷卻，整個(gè)過(guò)程在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行。所得到的具有氮化鋁涂層的碳纖維，逐根單絲表面具有平整光滑涂層，其厚度約為0.2μm。所獲得的涂層碳纖維熱氧化溫度為660℃，單絲拉伸強(qiáng)度為2800MPa。
實(shí)例2所用碳纖維同例1。經(jīng)過(guò)濃度為5%的二乙基鋁胺先驅(qū)體的甲苯溶液浸漬后的碳纖維束，以每分鐘5℃的速度升溫至150℃時(shí)，恒溫20分鐘，再升至350℃時(shí)恒溫30分鐘后冷卻至100℃，再用二乙基鋁胺甲苯溶液浸漬一次后重復(fù)上述升溫過(guò)程，當(dāng)升到1000℃時(shí)恒溫14個(gè)小時(shí)后冷卻，整個(gè)過(guò)程在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行。所得到的具有氮化鋁涂層的碳纖維微絲，其涂層厚度約為0.8μm，熱氧化溫度為690℃，單絲拉伸強(qiáng)度為2900MPa。
實(shí)例3所用碳纖維同例1。經(jīng)過(guò)濃度3%的聚乙基鋁胺先驅(qū)體的甲苯溶液浸漬后的碳纖維束，以每分鐘5℃的速度升溫至150℃時(shí)恒溫20分鐘，再升溫至350℃時(shí)恒溫30分鐘，然后升溫至1000℃時(shí)恒溫20個(gè)小時(shí)后冷卻，整個(gè)過(guò)程在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行。所得到的具有氮化鋁涂層的碳纖維微絲，其涂層厚度約為0.4μm，熱氧化溫度為720℃，單絲拉伸強(qiáng)度為3000MPa。
本發(fā)明的具有氮化鋁涂層的碳纖維，其熱氧化溫度比無(wú)涂層的碳纖維提高150℃以上，拉伸強(qiáng)度提高20%以上，不僅保持了無(wú)涂層的碳纖維所具有的柔順性和可編織加工的特性，而且由于在碳纖維表面形成了氮化鋁涂層，還可以改變它與某些基材的浸潤(rùn)性和相容性。本發(fā)明的在碳纖維及碳素制品表面涂復(fù)氮化鋁涂層的方法，簡(jiǎn)便易行，可進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，特別適用于在成束碳纖維的各單絲表面的涂復(fù)。用該方法生產(chǎn)的具有氮化鋁涂層的碳纖維，其涂層厚度小于1μm，涂層平整光滑。
權(quán)利要求
1.一種具有氮化鋁涂層的碳纖維，其特征在于碳纖維單絲的直徑小于15μm，其氮化鋁涂層厚度小于1μm。
2.一種在碳纖維表面涂復(fù)氮化鋁涂層的方法，其特征在于用烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅(qū)體-芳香烴稀溶液浸漬碳纖維束，然后逐步升溫經(jīng)過(guò)蒸出溶劑和表面固化后，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，使碳纖維單絲表面形成氮化鋁涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于經(jīng)過(guò)先驅(qū)體-芳香烴溶液浸漬的碳纖維在表面固化后，可將碳纖維冷卻至一定溫度后再次用先驅(qū)體-芳香烴溶液浸漬，然后再升溫?zé)Y(jié)，該過(guò)程可多次進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅(qū)體-芳香烴溶液的濃度小于16%(體積濃度)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維，其特征在于用該碳纖維或其編織物與樹(shù)脂基、金屬基、陶瓷基等復(fù)合成的復(fù)合材料。
全文摘要
一種具有氮化鋁涂層的碳纖維及其制備方法。本發(fā)明涉及在碳纖維及碳素制品表面涂覆抗氧化增強(qiáng)涂層領(lǐng)域。本發(fā)明的碳纖維，其直徑小于15μm，涂層厚度小于1μm。本發(fā)明的制備方法是將經(jīng)過(guò)烷基鋁胺或聚烷基鋁胺先驅(qū)體——芳香烴的稀溶液(C
文檔編號(hào)D06M13/50GK1064324SQ9210684
公開(kāi)日1992年9月9日 申請(qǐng)日期1992年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月9日
發(fā)明者廖白霞, 李銀奎, 陸逸 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)