核壳结构碳/碳化硅纤维及其制备方法

文档序号：24878263发布日期：2021-04-30 12:55阅读：172来源：国知局

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种核壳结构碳/碳化硅纤维及其制备方法。

背景技术：

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度，是制造航天航空等高技术器材的优良材料。

但是碳纤维氧化稳定性较差，温度高于500℃时，在氧化气氛下，极易发生氧化，并且碳纤维作为吸波材料存在吸收频带窄、阻抗匹配性差等问题，限制了碳纤维在一些苛刻条件下的应用。而碳化硅材料作为一种宽带隙半导体，在10^-3～10^-4ω·m范围内电阻率可调，具有高击穿场强，高饱和载流子漂移速度和高导热性。碳化硅材料的高强度、低密度、优越的介电性能和抗氧化性能，使其适用于高温高频的严苛环境，作为高温结构吸波材料服役可靠性较高。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种核结构碳化硅/碳纤维及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种核结构碳化硅/碳纤维及其制备方法，以解决现有技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种核壳结构碳/碳化硅纤维制备方法，包括以下步骤：

步骤1：碳纤维预处理，清理碳纤维表面杂质后，再将其浸泡于强酸溶液中进行超声分散，以增加碳纤维的表面活性；

步骤2：干燥，取出完成预处理后的碳纤维，进行烘干；

步骤3：混料，将硅粉、氯化钠和氯化钾混合，得到混合盐，再将烘干的碳纤维置于所述混合盐中，得到混合料；其中，碳纤维、硅粉、氯化钠和氯化钾的摩尔比为(0.75～1.2):1:(0.8～1.2):(0.7～1.5)；

步骤4：烧结，在惰性气体环境下对所述混合料进行烧结，在烧结温度达到1300～1400℃时，保温3～5h，以通过熔盐法和活性碳纤维转化法在碳纤维的表面形成包覆所述碳纤维的碳化硅纤维层，冷却后即制得所述核壳结构碳/碳化硅纤维。

进一步地，所述步骤1中清理碳纤维表面杂质的具体方式为：

将碳纤维浸泡于质量浓度为5％的naoh溶液中，5～15min后取出，再使用酒精进行清洗，以除去碳纤维表面的碱液。

进一步地，所述步骤1中强酸溶液为质量浓度是7～15％的硝酸溶液。

进一步地，所述步骤2中的具体干燥方式为：

将完成预处理后的碳纤维置于真空干燥箱中烘干，烘干温度为50℃～60℃，烘干时间为12～18h。

进一步地，所述步骤3中混合料中的碳纤维、硅粉、氯化钠和氯化钾的摩尔比为1:1:1:1。

进一步地，所述步骤3中的碳纤维包埋于所述混合盐中。

进一步地，所述步骤4中的惰性气体为氩气。

进一步地，在所述步骤4的烧结过程中，所述碳纤维上设有压块以使得所述碳纤维能够充分与所述混合盐接触。

进一步地，所述碳纤维为连续碳纤维。

一种核壳结构碳/碳化硅纤维，所述核壳结构碳/碳化硅纤维以碳纤维为核层，以碳化硅为壳层，并由前述的核壳结构碳/碳化硅纤维制备方法制成。

本发明有益效果：

与现有技术相比，本发明提供的核壳结构碳/碳化硅纤维制备方法所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维，通过在碳纤维表面形成碳化硅层能够提高碳纤维的抗氧化性和吸波性能；而且该方法可降低硅碳反应温度，能够在低于硅熔点(1414℃)时反应生成碳化硅，方法简单、原料价格低廉且易得、操作易行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请中一部分实施例和对比例所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维的sem图；

图2是本申请中另一部分实施例和对比例所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维的sem图；

图3是本申请中再一部分实施例和对比例所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维的sem图；

图4是本申请中又一部分实施例和对比例所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维的sem图；

图5是本申请中实施例1所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维的xrd图谱；

图6是本申请中实施例1、实施例2和实施例3所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维的热重曲线图；

图7是本申请中实施例1和实施例2所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维的eds能谱图及不同厚度下的吸波性能对比图；

图8是本申请中实施例1和实施例2所制得的核壳结构碳/碳化硅纤维的介电常数对比图及不同厚度下的阻抗匹配对比图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步介绍和说明。

需要说明的是，以下的说明中，表示量的“％”和“份”只要无特别说明，则为重量基准。除非另外指明，否则本说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字均应该理解为在所有情况下均是由术语“约”来修饰的。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.2、1.4、1.55、2、2.75、3、3.80、4和5等等。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素；术语“优选”指的是较优的选择方案，但不只限于所选方案。

本发明提供了一种核壳结构碳/碳化硅纤维制备方法，包括以下步骤：

步骤1：碳纤维预处理，清理碳纤维表面杂质后，再将其浸泡于强酸溶液中进行超声分散，使碳纤维表面增加活性基团，以增加碳纤维的表面活性，易于与硅粉进行反应；

步骤2：干燥，取出完成预处理后的碳纤维，进行烘干；

其中，步骤1中清理碳纤维表面杂质的具体方式为：将碳纤维浸泡于质量浓度为5％的naoh溶液中，5～15min后取出，再使用酒精进行清洗，以除去碳纤维表面的碱液。步骤1中强酸溶液优选为质量浓度是7～15％的硝酸溶液。

步骤2中的具体干燥方式为：将完成预处理后的碳纤维置于真空干燥箱中烘干，烘干温度为50℃～60℃，烘干时间为12～18h。

步骤3中混合料中的碳纤维、硅粉、氯化钠和氯化钾的摩尔比优选为1:1:1:1；而且碳纤维包埋于所述混合盐中，以使得碳纤维能够与混合盐充分接触。

步骤4中的惰性气体优选为氩气；并且在步骤4的烧结过程中，碳纤维上设有压块以压住所述碳纤维，从而使得碳纤维能够充分与混合盐接触。

在本发明中碳纤维优选为连续碳纤维。

本发明还提供了一种核壳结构碳/碳化硅纤维，核壳结构碳/碳化硅纤维以碳纤维为核层，并以碳化硅纤维为壳层，而且由前述核壳结构碳/碳化硅纤维制备方法制成。

实施例1

称取0.2mol的碳纤维，将其完全浸泡于质量浓度为5％的naoh溶液中，10min后取出，使用酒精充分冲洗干净，以除去碳纤维表面的碱液；再将清洗干净的碳纤维浸泡于质量浓度为10％的硝酸溶液中进行超声分散30min，使碳纤维表面增加活性基团。