专利名称：一种炭/炭复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于涉及一种化工材料的的制备方法，具体涉及一种炭/炭复合材料的制备方法。
背景技术：
炭/炭复合材料是目前唯一可用于1650°C以上的高温结构材料，具有许多优异的性能，如高比强度、高比模量、高断裂韧性、低密度以及强度随温度升高而升高等，在航空航天、军事、医学以及许多民用领域有着广阔的应用前景。但炭/炭复合材料制作工艺复杂、制备周期长、原材料转化率低以及致密化不均匀等问题致使其生产成本居高不下，严重制约了该材料的进一步应用和发展。催化剂是能加速反应过程的物质。根据热解碳的形成机理，选择合适的催化剂加速源气体的芳构化过程，可提高源气体的转化率并快速沉积得到基体碳，从而缩短炭/炭复合材料的制备周期，降低生产成本。目前，研究者已开发了多种Ni基催化剂用以解决炭/炭复合材料制备过程中存在的问题。但催化剂存在颗粒较大阻滞气流通道、分布不均匀以及溶液浪费严重等问题。文献1“镍催化制备炭/炭复合材料，史小红，李贺军，王引卫，李克智。碳素技术，2004 (03)”公开了一种催化制备炭/炭复合材料的方法，该方法通过浸溃在预制体上加载液相Ni盐之后加热还原得到Ni单质，提高了热解碳的沉积速率。但本研究采用的液相浸溃法浪费较大，催化剂的加载量不宜控制，且需将加热处理后得到的氧化镍再用H2和Ar还原才能得到镍单质，工艺复杂且存在安全隐患。文献2 “镍催化制备炭/炭复合材料研究，周振中，李铁虎，李彩霞，宋发举。材料导报，2007 (09)”公开了一种催化制备炭/炭复合材料的方法，该方法采用了 Ni/Si02、Ni/A1203、Ni/ZSM-5负载型 催化剂，提高了热解碳的沉积速率。但由于本研究采用的催化剂是粉末状的，不能保证铺撒过程中的均匀性，且催化剂颗粒较大，容易阻滞气流通道。因此，不能保证致密化的均匀性。
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种炭/炭复合材料的制备方法，以克服现有技术中存在的，催化剂颗粒较大阻滞气流通道、分布不均匀以及溶液浪费严重等问题。技术方案一种炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下:步骤1、分别对碳布和镍板进行表面处理，具体过程是:将缝制好的碳布在无水乙醇中浸泡30min Ih进行表面除油，蒸馏水冲洗后放入烘箱中烘干备用；b.将镍板在无水乙醇中超声处理lOmin，蒸馏水冲洗后烘干备用；
步骤2:以镍板为阳极，碳布为阴极，在碳纤维布上进行镀镍；所述电镀液为:每制备 IL 电镀液称取 100 350g 的 NiSO4 6H20、30 80g 的 NiCl2 6H20、15 40g 的 H3BO3和20 25g的MgSO4溶于蒸馏水中制得IL电镀液；步骤3、制备预制体，具体过程是:a.电镀完成之后，将取下的碳布用蒸馏水冲洗后置于烘箱中，在70 120°C下保温I 10小时后烘干；b.将烘干的碳布以5 10层铺叠，利用碳纤维线穿刺其中，制成预制体；步骤4、化学气相沉积法制备热解碳，具体过程是:a.将预制体装入模具置于化学气相沉积炉中，抽真空使真空度达到-0.1 -0.0lMpa，通入氩气至常压后再次抽真空，重复此过程3次；b.在氩气保护下升温至500 1100°C，升温速度控制在5 10°C /min ；c.在氩气保护下通入甲烷或丙烯气体沉积热解碳，500 1100°C下保温直至预制体的密度达到1.0 2.5g/cm3 ；d.关掉甲烷或丙烯气体阀门后以5 20°C/min的速度降温至300 200°C，关掉电源自然降至室温后开炉取出试样，得到炭/炭复合材料。有益效果本发明提出的一种炭/炭复合材料的制备方法，在碳纤维布上电镀镍单质催化制备炭/炭复合材料。电镀法加载镍催化剂容易操作、镀层分布均匀且镀液可以多次利用，能够降低生产成本。目前，已有在石墨片和碳纤维电镀镍并催化生成碳纳米管的例子。因此，在碳的预制体上电镀镍作为催化剂，在合适工艺条件下，可获得具有所需密度的炭/炭复合材料。本发明系一种催化沉积制备炭/炭复合材料的方法。利用电镀法在碳纤维布上加载镍催化剂，保证了催化剂的小粒度及分布均匀性，减少了原材料的用量；采用化学气相沉积法制备炭/炭复合材料时，借助镍催化剂加速源气体的芳构化过程，提高源气体的转化率并加速沉积过程，缩短炭/炭复合材料的制作周期，降低炭/炭复合材料的制备成本。
具体实施例方式现结合实施例对本发明作进一步描述:实施例1:本实施例是一种快速制备炭/炭复合材料的方法，包括加载催化剂和化学气相沉积两个主要工序，其具体过程是:步骤一、将缝制好的碳布在无水乙醇中浸泡40min进行表面除油，蒸馏水冲洗后放入烘箱中烘干备用；将镍板在无水乙醇中超声处理lOmin，蒸馏水冲洗后烘干备用。步骤二、分别称取200gNiS04 6H20、60gNiCl2 6H20、30gH3B03 以及 15gMgS04 溶于适量的蒸馏水中制得IL电镀液；连接电路，以镍板为阳极、碳布为阴极，开通电源，调节电流至40mA,在碳纤维布上镀镍20min。
步骤三、电镀完成之后，将取下的碳布用适量蒸馏水冲洗后置于烘箱中，80°C保温2小时烘干；将烘干的碳布5层铺叠，利用碳纤维线穿刺其中，制成预制体。步骤四、将预制体装入模具置于化学气相沉积炉中，抽真空使真空度达至IJ-0.09Mpa，通入氩气至常压后再次抽真空，重复此过程3次；在氩气保护下升温至700°C，升温速度控制在5°C /min ;在氩气保护下通入甲烷或丙烯气体沉积热解碳，70(TC下保温一段时间直至预制体的密度达到1.5g/cm3，关掉丙烯阀门后以10°C /min的速度降温至200 °C，关掉电源自然降至室温后开炉取出试样。经上述所有步骤，制备出了炭/炭复合材料试样。该法的制作工艺相对简单、制备周期较短、原材料转化率高且致密化相对均匀。实施例2:本实施例是一种快速制备炭/炭复合材料的方法，包括加载催化剂和化学气相沉积两个主要工序，其具体过程是:步骤一、将缝制好的碳布在无水乙醇中浸泡40min进行表面除油，蒸馏水冲洗后放入烘箱中烘干备用；将镍板在无水乙醇中超声处理lOmin，蒸馏水冲洗后烘干备用。步骤二、分别称取250gNiS04.6H20、60gNiCl2.6H20、30gH3B03 以及 20gMgS04 溶于适量的蒸馏水中制得IL电镀液；连接电路，以镍板为阳极、碳布为阴极，开通电源，调节电流至IOOmA,在碳纤维布上镀镍15min。步骤三、电镀完成之后，将取下的碳布用适量蒸馏水冲洗后置于烘箱中，80°C保温2小时烘干；将烘干的碳布5层铺叠， 利用碳纤维线穿刺其中，制成预制体。步骤四、将预制体装入模具置于化学气相沉积炉中，抽真空使真空度达到-0.09Mpa，通入氩气至常压后再次抽真空，重复此过程3次；在氩气保护下升温至900°C，升温速度控制在5°C /min ;在氩气保护下通入甲烷或丙烯气体沉积热解碳，90(TC下保温一段时间直至预制体的密度达到1.5g/cm3，关掉丙烯阀门后以10°C /min的速度降温至200 °C，关掉电源自然降至室温后开炉取出试样。经上述所有步骤，制备出了炭/炭复合材料试样。该法的制作工艺相对简单、制备周期较短、原材料转化率高且致密化相对均匀。实施例3:本实施例是一种快速制备炭/炭复合材料的方法，包括加载催化剂和化学气相沉积两个主要工序，其具体过程是:步骤一、将缝制好的碳布在无水乙醇中浸泡40min进行表面除油，蒸馏水冲洗后放入烘箱中烘干备用；将镍板在无水乙醇中超声处理lOmin，蒸馏水冲洗后烘干备用。步骤二、分别称取200gNiS04.6H20、60gNiCl2.6H20、30gH3B03 以及 30gMgS04 溶于适量的蒸馏水中制得IL电镀液；连接电路，以镍板为阳极、碳布为阴极，开通电源，调节电流至200mA,在碳纤维布上镀镍6min。步骤三、电镀完成之后，将取下的碳布用适量蒸馏水冲洗后置于烘箱中，80°C保温2小时烘干；将烘干的碳布5层铺叠，利用碳纤维线穿刺其中，制成预制体。步骤四、将预制体装入模具置于化学气相沉积炉中，抽真空使真空度达到-0.09Mpa,通入氩气至常压后再次抽真空，重复此过程3次；在氩气保护下升温至1000°C，升温速度控制在8 V /min ;在氩气保护下通入甲烷或丙烯气体沉积热解碳，1000°C下保温一段时间直至预制体的密度达到1.5g/cm3，关掉丙烯阀门后以15°C /min的速度降温至200 °C，关掉电源自然降至室温后开炉取出试样。经上述所有步骤，制备出了炭/炭复合材料试样。该法的制作工艺相对简单、制备周期较短、原材料转化率高且致密化相对均匀。实施例4:本实施例是一种快速制备炭/炭复合材料的方法，包括加载催化剂和化学气相沉积两个主要工序，其具体过程是:步骤一、将缝制好的碳布在无水乙醇中浸泡40min进行表面除油，蒸馏水冲洗后放入烘箱中烘干备用；将镍板在无水乙醇中超声处理lOmin，蒸馏水冲洗后烘干备用。步骤二、分别称取200gNiS04 6H20、60gNiCl2 6H20、30gH3B03 以及 20gMgS04 溶于适量的蒸馏水中制得IL电镀液；连接电路，以镍板为阳极、碳布为阴极，开通电源，调节电流至200mA,在碳纤维布上镀镍8min。步骤三、电镀完成之后，将取下的碳布用适量蒸馏水冲洗后置于烘箱中，80°C保温2小时烘干；将烘干的碳布5层铺叠，利用碳纤维线穿刺其中，制成预制体。步骤四、将预制体装入模具置于化学气相沉积炉中，抽真空使真空度达到-0.09Mpa,通入氩气至常压后再次抽真空，重复此过程3次；在氩气保护下升温至1000°C，升温速度控制在10°C /min;在氩气保护下通入甲烷或丙烯气体沉积热解碳，1000°C下保温一段时间直至预制体的密度达到1.8g/cm3，关掉丙烯阀门后以18°C /min的速度降温至200°C，关掉电源自然降至室温后开炉取出试样。经上述所有步骤，制备出了炭/炭复合材料试样。该法的制作工艺相对简单、制备周期较短、原材料转化 率高且致密化相对均匀。
权利要求
1.一种炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下: 步骤1、分别对碳布和镍板进行表面处理，具体过程是: 将缝制好的碳布在无水乙醇中浸泡30min Ih进行表面除油，蒸馏水冲洗后放入烘箱中烘干备用； b.将镍板在无水乙醇中超声处理lOmin，蒸馏水冲洗后烘干备用； 步骤2:以镍板为阳极，碳布为阴极，在碳纤维布上进行镀镍；所述电镀液为:每制备IL电镀液称取 100 350g 的 NiSO4.6H20、30 80g 的 NiCl2.6H20、15 40g 的 H3BO3 和 20 25g的MgSO4溶于蒸馏水中制得IL电镀液； 步骤3、:制备预制体，具体过程是: a.电镀完成之后，将取下的碳布用蒸馏水冲洗后置于烘箱中，在70 120°C下保温I 10小时后烘干； b.将烘干的碳布以5 10层铺叠，利用碳纤维线穿刺其中，制成预制体； 步骤4、化学气相沉积法制备热解碳，具体过程是: a.将预制体装入模具置于化学气相沉积炉中，抽真空使真空度达到-0.1 -0.0lMpa，通入氩气至常压后再次抽真空，重复此过程3次； b.在氩气保护下升温至500 1100°C，升温速度控制在5 10°C/min ； c.在氩气保护下 通入甲烷或丙烯气体沉积热解碳，500 1100°C下保温直至预制体的密度达到1.0 2.5g/cm3 ； d.关掉甲烷或丙烯气体阀门后以5 20°C/min的速度降温至300 200°C，关掉电源自然降至室温后开炉取出试样，得到炭/炭复合材料。
全文摘要
本发明提出的一种炭/炭复合材料的制备方法，利用电镀法在碳纤维布上加载镍催化剂，保证了催化剂的小粒度及分布均匀性，减少了原材料的用量；采用化学气相沉积法制备炭/炭复合材料时，借助镍催化剂加速源气体的芳构化过程，提高源气体的转化率并加速沉积过程，缩短炭/炭复合材料的制作周期，降低炭/炭复合材料的制备成本。本发明涉及一种以镍板为阳极，碳布为阴极在碳纤维上镀镍；烘干后叠层穿刺制成预制体；将预制体置于化学气相沉积炉中，用窄缝沉积法制备炭/炭复合材料。本发明借助Ni催化剂加速源气体的芳构化过程，提高源气体的转化率，可快速沉积得到热解碳，缩短炭/炭复合材料的制备周期，从而降低生产成本。
文档编号C04B35/622GK103159496SQ201310095248
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者史小红, 任艳彩, 李贺军, 李克智 申请人:西北工业大学