一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料及其制备方法

本发明属于碳化硅纳米晶须制备，具体涉及一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料及其制备方法。

背景技术：

1、一维碳化硅纳米线具有高强、高模量、高导热(390w/(m·k))的特性，而且具有较大长径比、优异的高温热稳定性和较好的可设计性，与炭纤维、炭纸、多孔碳、鳞片石墨等结合，可用于储能、热管理、吸波和过滤等众多领域。目前，在炭材料表面制备sic纳米线的方法较多，包括化学气相沉积、碳热还原、前驱体浸渍裂解法、溶胶凝胶法、热蒸发法等。将碳化硅纳米线均匀引入多孔炭材料中方法主要有溶胶-凝胶法、前驱热裂解(pip)和化学气相沉积。

2、溶胶-凝胶法和前驱热裂解在碳纤维预制体中sic纳米线的生长主要通过真空浸渍将聚碳硅烷液相前驱体或sio2凝胶引入基体中，通过高温裂解或碳热还原在基体内部生长sic纳米线，该过程通常需要依赖金属催化剂辅助成核，而金属催化剂的引入对复合材料高温性能具有极大的损害。化学气相沉积工艺虽然不需要催化剂参与，但在碳纤维预制体内部形成的sic纳米线含量呈梯度分布，分布不均匀，而且该工艺所用设备昂贵，过程复杂且难控制，并会产生大量有毒有害气体。

3、因此，亟需开发一种低成本、易操作、无催化剂参与的工艺方法，将碳化硅晶须均匀引入到炭纤维预制体或多孔炭材料中。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、无需催化剂参与和低成本的碳纤维预制体内部均匀生长碳化硅纳米晶须制备方法，用该方法制备的碳化硅纳米晶须纯度高、长径比大并能在碳纤维预制体内均匀分布。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，包括

4、取成核位点粉末，与溶剂混合配制为浓度为0.01-0.5g/ml混合溶液；将多孔材料预制体浸没于混合溶液中，并在真空条件下放置，取出晾干；

5、将晾干后的浸渍预制体依次经过800-1500℃热处理0.5h-1h、1500-2200℃热处理0.5h-1h，在纤维预制体或多孔材料预制体内部和表面形成成核位点；

6、按硅粉∶二氧化硅粉的摩尔比为1：(0.25-4)混合均匀，得到硅源；将石墨粉、炭纤维、碳纳米管、石墨烯、多孔炭或炭黑作为碳源；

7、按碳源∶硅源的摩尔比为(0.1-1)：1称取硅源和碳源，将硅源铺在坩埚底部，将碳源铺在硅源表面，将纤维预制体或多孔材料预制体悬空放置在坩埚中部，然后将坩埚转移至高温炭化炉中；维持惰性气氛，在真空条件下，升温至1200-1500℃，保温0.5-4h，自然冷却至室温，制得有均匀碳化硅晶须的炭材料。

8、可采用石墨支架将纤维预制体或多孔材料预制体悬空放置在坩埚中部；

9、所述溶剂为水或有机溶剂，优选为异丙醇。

10、进一步的，所述纤维预制体包括炭纤维编织体或炭纤维针刺毡；所述多孔材料预制体包括泡沫炭、膨胀石墨或三维石墨烯中的一种。

11、优选的，炭纤维编织体为中间相沥青基碳纤维编织体，所述炭纤维针刺毡为pan基针刺毡；

12、进一步的，所述纤维预制体或多孔材料预制体的体密度为0.1-0.6g/cm3。

13、进一步的，所述高温炭化炉中，真空度为5-500pa；优选真空度为50-300pa。

14、进一步的，所述成核位点粉末为100-300目。

15、进一步的，所述多孔材料预制体在混合溶液浸没5-60min。

16、进一步的，所述硅粉的粒度为0.3-80μm；所述二氧化硅粉末的粒度为0.3-80μm。

17、进一步的，所述多孔材料预制体浸没于混合溶液时，真空条件为5-500pa。

18、进一步的，所述升温的速率为10-20℃/min。

19、进一步的，所述成核位点粉末包括浸渍沥青、纳米碳化物颗粒、金属纳米颗粒、碳纳米颗粒、硝酸铁、硝酸镍、二茂铁中的任意一种或多种。

20、基于同一技术构思，本发明还提供一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料，其特征在于，是由上述的制备方法所制得。

21、本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

22、(1)本发明采用固相硅源和碳源，无催化剂参与，在1200-1500℃时制得碳纤维表面碳化硅晶须，工艺简单，对设备无特殊要求，且制备过程中无有毒有害气体释放。

23、(2)本发明不以生长基体为碳源，能够很好保护碳毡基体，可在碳毡内部制得大长径比的碳化硅晶须，碳化硅晶须直径为30-120nm，长度为30-150um，并具有优异的弯曲性能。

技术特征：

1.一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，包括

2.根据权利要求1所述的一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，所述纤维预制体包括炭纤维编织体或炭纤维针刺毡；所述多孔材料预制体包括泡沫炭、膨胀石墨或三维石墨烯中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，所述纤维预制体或多孔材料预制体的体密度为0.1-0.6g/cm3。

4.根据权利要求1所述的一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，所述高温炭化炉中，真空度为5-500pa。

5.根据权利要求1所述的一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，所述成核位点粉末为100-300目。

6.根据权利要求1所述的一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，所述多孔材料预制体在混合溶液浸没5-60min。

7.根据权利要求1所述的一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，所述硅粉的粒度为0.3-80μm；所述二氧化硅粉末的粒度为0.3-80μm。

8.根据权利要求1所述的一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，多孔材料预制体浸没于混合溶液时，真空条件为5-500pa。

9.根据权利要求1所述的一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料的制备方法，其特征在于，所述成核位点粉末包括浸渍沥青、纳米碳化物颗粒、金属纳米颗粒、碳纳米颗粒、硝酸铁、硝酸镍、二茂铁中的任意一种或多种。

10.一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料，其特征在于，是由权利要求1-9任一项所述的制备方法所制得。

技术总结
本发明涉及一种具有均匀碳化硅晶须的炭材料及其制备方法，是一种工艺简单、无需催化剂参与和低成本的碳纤维预制体内部均匀生长碳化硅纳米晶须制备方法，通过在纤维预制体或多孔材料预制体内部和表面形成成核位点，并采用固相硅源和碳源，无催化剂参与，在1200‑1500℃时制得碳纤维表面碳化硅晶须，工艺简单，对设备无特殊要求，且制备过程中无有毒有害气体释放。本发明不以生长基体为碳源，能够很好保护碳毡基体，可在碳毡内部制得大长径比的碳化硅晶须，碳化硅晶须直径为30‑120nm，长度为30‑150um，并具有优异的弯曲性能。

技术研发人员：朱辉,刘博,李轩科,李保六,郭建光
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15