[发明专利]一种三维纤维/碳纳米管多级增强体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体地涉及一种多级增强体制备及碳纳米管在三维预制体中均匀生长的技术和方法。

背景技术

传统的复合材料基于微米尺度的纤维作为增强体，通过纤维的增强和增韧作用使材料的性能得到增强。如纤维增强陶瓷基复合材料通过纤维增强体的引入，破坏过程表现为非脆性特征，从而使材料的可靠性得到了大幅度的提高。

碳纳米管(CNTs)于1991年被日本学者Iijima发现，其优异的力学、热学和电学性能引起全世界的研究热潮。碳纳米管由六边网格状SP2杂化碳原子卷曲而成，可以看作成石墨片卷曲形成的空心圆柱体，直径约1nm，长度可达厘米级甚至更长。其奇特的几何和电子结构使其集众多优点于一身：杨氏模量最高可达1TPa和抗拉强度＞100GPa，热导率最高可达6000W/mK等。上述优越的性能决定了CNTs是复合材料的终极增强体，将CNTs来增强复合材料成为目前国际上的研究热点。目前的主要研究主要是通过向材料中直接引入CNTs的方式来提高材料的性能。然而由于CNTs具有非常大的比表面积，其表面能非常高，因此CNTs很容易发生团聚从而导致无法在材料中获得均匀分散，无法充分发挥纳米增强相的优异性能。同时由于其难以得到均匀分散，从而使材料中引入纳米增强相的量非常小。为了解决CNTs的分散问题和难以大量添加至复合材料中，一个有效方法是将CNTs包覆在碳纤维上或填充在纤维束间的空隙中。2002年，Thostenson等(E.T.Thostenson，J.Appl.Phys.，Vol.91，No.9，1 May 2002)首先成功利用化学气相沉积(CVD)的方法在碳纤维表面上沉积了CNTs，随后大量详细的研究逐渐开展起来。目前在碳纤维基底上化学气相沉积生长碳纳米管主要集中在碳纤维一维(Hui Qian，J.Mater.Chem.，2010，20，4751-4762)或二维布(Qiao-Juan Gong，Composites Science and Technology 67(2007)2986-2989)上，在三维纤维编织体中均匀生长碳纳米管尚无相关报道。

与一维及二维纤维增强体不同，三维纤维预制体由于具有一定的厚度，因此在生长过程重要考虑CNTs增强相的纵深生长机理，实现在三维纤维预制体内部的生长。利用目前化学气相沉积的工艺在三维纤维预制体中生长CNTs的过程中，CNTs通常只能生长在预制体表面，而在预制体内部生成的主要为裂解碳而不是CNTs。因此研究适合于在三维纤维预制体中均匀生长CNTs纳米增强相的技术和方法是CNTs生长的一个难题。此难题的突破对实现多级增强纤维增强体在多级增强复合材料中的工程应用具有非常重要的意义。

综上所述，本领域缺乏一种三维纤维碳纳米管多级增强体及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于获得一种三维纤维碳纳米管多级增强体。

本发明的第二目的在于获得一种三维纤维碳纳米管多级增强体的制备方法。

本发明的第一方面提供一种三维纤维/碳纳米管多级增强体，通过化学气相渗透(CVI)工艺在三维纤维预制体中生长作为纳米增强相的碳纳米管(CNTs)，得到所述多级增强体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述三维纤维预制体选自三维四向预制体、三维五向预制体、二维缝合预制体、2.5D立体预制体、三维针刺预制体、三维穿刺预制体、三维正交预制体或其组合

在本发明的一个具体实施方式中，所述三维纤维预制体中，所采用的纤维选自碳纤维、碳化硅纤维、BN纤维、陶瓷纤维或其组合。

在本发明的一个具体实施方式中，所述三维纤维预制体中，纤维表面沉积有界面层，所述界面层包括PyC界面、SiC界面、BN界面、Si₃N₄界面、ZrC界面、ZrB₂界面、HfC界面、HfB₂界面、TaC界面、TiC界面以及由上述界面组成的复合界面。

在本发明的一个具体实施方式中，所述生长方法的具体步骤如下：

三维纤维编织体在催化剂前驱体溶液中进行浸泡并干燥；对干燥后的编织体进行高温热处理并在还原气氛下进行还原，使负载的催化剂转化为金属纳米颗粒，得到所述三维纤维预制体；

采用化学气相渗透工艺在所述三维纤维预制体中生长碳纳米管(CNTs)，得到所述多级增强体。

在一优选例中，所述三维纤维编织体进行预处理，所述预处理包括干燥、清洗、酸洗、脱粘、沉积界面层中的一种或多种组合。