一种玻璃炭复合纤维材料及其制备方法

本发明涉及材料领域，特别涉及一种玻璃炭复合纤维材料及其制备方法。

背景技术：

1、玻璃炭是由无定形体及微细封闭的微孔所组成的无定形碳，既包含有按sp3杂化轨道以四面体方式结合的化学键，也包含有按sp2杂化轨道以平面三角形结合的碳原子，这些键的组合使玻璃炭具备了各向同性、高电阻率、高强度、高硬度、易脆裂、能耐强酸和强碱的腐蚀、多微孔和低密度的等特征。

2、在现有技术中，玻璃炭的制备方法是将聚丙烯腈树脂或酚醛树脂等在惰性气氛中缓慢加热至高温(达1800℃)处理成外形似玻璃状的非晶形碳，同时精确控制每个步骤中的加工条件以防开裂。由于在热解或碳化过程中体积收缩较大，因此通过该工艺获得的玻璃炭多为块状玻璃炭和薄膜状玻璃炭，柔韧性与有序性较差。因此，提高玻璃炭的质量，柔韧性及有序性是亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是克服现有的玻璃炭柔韧性与有序性较差的缺陷。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、本发明提供了一种玻璃炭复合纤维材料，包括石英纤维和玻璃炭；其中，所述玻璃炭以膜的形式均匀包覆在所述石英纤维的表面。

4、本发明还提供了一种玻璃炭复合纤维材料的制备方法，用于制备前述的玻璃炭复合纤维材料，包括：

5、将石英纤维置于高温管式炉中，高温管式炉的反应腔内温度设置为300℃～1500℃；

6、对所述反应腔进行抽真空，以使得所述反应炉内的真空度在预设值以下；

7、向所述反应腔内通入包含有保护性气体和还原性气体的混合气体，待所述混合气体的气流平稳后，向所述反应腔内通入碳源蒸汽；

8、在经过预设时间段后，关闭所述碳源蒸汽并继续通入所述混合蒸汽，待所述反应炉内的温度达到室温后，关闭所述混合气体。

9、上述技术方案中，所述向所述反应腔内通入碳源蒸汽包括：

10、在所述碳源蒸汽内混杂氮源蒸汽、磷源蒸汽、硼源蒸汽中的至少一种；

11、向所述反应腔内通入经过混杂的碳源蒸汽。

12、上述技术方案中，所述碳源蒸汽为甲烷、乙烯、乙炔、聚苯胺蒸汽、聚苯乙烯蒸汽、甲苯蒸汽、苯甲酸蒸汽、氯苯蒸汽、乙醇蒸汽中的至少一种。

13、上述技术方案中，所述石英纤维选自单根纤维、单束纤维、纤维布中的至少一种。

14、上述技术方案中，所述混合气体包括ar和h2，所述ar和h2之间的体积比为1∶1。

15、上述技术方案中，所述预设时间段的时间长度在10-300分钟之间。

16、上述技术方案中，所述预设值为10pa。

17、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

18、本发明的玻璃炭复合纤维材料在石英纤维表面包裹了柔性中空管状玻璃炭材料，石英纤维为玻璃炭提供高强度的基体材料，且石英纤维表面为玻璃炭的有序生长提供了具有活性位点的衬底材料，使得玻璃炭和石英纤维表面易于形成化学键。玻璃炭和石英纤维表面化学键的形成使得玻璃炭获得了柔性的同时，也改善了石英纤维的力学性能。此外，相对于有机纤维直接碳化制备玻璃炭纤维，本发明玻璃炭复合纤维材料在制备时为原子沉积过程，其沉积过程无质量损失，因此可以获得高质量的玻璃炭结构。而且由于本发明的玻璃炭复合纤维材料以石英纤维为基底，因此可以获得高有序织物结构的玻璃炭复合纤维。

技术特征：

1.一种玻璃炭复合纤维材料，其特征在于，包括石英纤维和玻璃炭；其中，所述玻璃炭以膜的形式均匀包覆在所述石英纤维的表面。

2.一种玻璃炭复合纤维材料的制备方法，用于制备权利要求1所述的玻璃炭复合纤维材料，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述的玻璃炭复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述向所述反应腔内通入碳源蒸汽包括：

4.根据权利要求2或3所述的玻璃炭复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述碳源蒸汽为甲烷、乙烯、乙炔、聚苯胺蒸汽、聚苯乙烯蒸汽、甲苯蒸汽、苯甲酸蒸汽、氯苯蒸汽、乙醇蒸汽中的至少一种。

5.根据权利要求2或3所述的玻璃炭复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述石英纤维选自单根纤维、单束纤维、纤维布中的至少一种。

6.根据权利要求2或3所述的玻璃炭复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述混合气体包括ar和h2，所述ar和h2之间的体积比为1∶1。

7.根据权利要求2或3所述的玻璃炭复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述预设时间段的时间长度在10-300分钟之间。

8.根据权利要求2或3所述的玻璃炭复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述预设值为10pa。

技术总结
本发明提供一种玻璃炭复合纤维材料及其制备方法。材料包括石英纤维和玻璃炭；其中，玻璃炭以膜的形式均匀包覆在石英纤维的表面。制备方法包括：将石英纤维置于高温管式炉中，高温管式炉的反应腔内温度设置为300℃～1500℃；对反应腔进行抽真空，以使得反应炉内的真空度在预设值以下；向反应腔内通入包含有保护性气体和还原性气体的混合气体，待混合气体的气流平稳后，向反应腔内通入碳源蒸汽；在经过预设时间段后，关闭碳源蒸汽并继续通入混合蒸汽，待反应炉内的温度达到室温后，关闭混合气体。本发明的玻璃炭复合纤维材料既有柔韧性与有序性，也具有良好的力学性能。

技术研发人员：王慧慧,关宝璐,彭喆
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6