[发明专利]一种碳纤维表面电沉积ZnO层复合材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于微波吸收材料领域，特别涉及一种碳纤维表面电化学沉积ZnO层制备方法和应用。

背景技术

碳纤维的轴向强度高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐药品性好，纤维的密度低，耐腐蚀等诸多优点，可作为优良的结构吸波材料。但碳纤维的表面电阻率仍能达到10^-3Ω·cm的数量级，通过实验和文献可见，当碳纤维含量足够高时，仍会对电磁波产生反射，从而显示屏蔽大于吸波的结果，而氧化锌是一种室温禁带宽度3.3eV，激子结合能达到60meV的重要半导体功能材料，且价格便宜，在光电子器件等方面已经表现出很好的性能。最近，对传统光电材料应用在微波吸收材料领域的研究越来越多，且在微波吸收领域表现优异，其中ZnO就是研究重点之一。文献中有报道ZnO晶须直接作为微波吸收材料，ZnO与铁氧体或羰基铁粉混合作为微波吸收材料，ZnO与碳纳米管混合作为微波吸收材料，等，这些研究均得到很好的微波吸收效果，因此可以断定，ZnO是一种潜在的优异微波吸收商业材料。现有技术中有用电镀法在碳纤维表面包覆一层单一金属Zn后通过煅烧，将Zn氧化成ZnO，所采用的设备及所采取的工艺步骤均较为复杂，由于碳纤维表面的包覆物质量不好控制，存在氧化不完全不可控等问题。而电化学沉积法具有设备简单、成本低、可连续生产等特点，是一种具有良好应用前景的方法。若通过电化学沉积法在碳纤维表面沉积一层ZnO层，则有望得到新型高效的轻质吸波材料。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种碳纤维表面电化学沉积ZnO层复合材料及制备方法，是通过电化学沉积法在碳纤维表面沉积出均匀致密的ZnO层，其工艺简单，生产效率高，适合大规模工业生产。本发明的制备方法与之前在文献中报道的电镀法相比，本发明所采用的设备和步骤都更加简单，得到的碳纤维表面的包覆物质量更稳定可控，不会存在氧化不完全不可控等问题，通过电化学沉积法在碳纤维表面制备出ZnO沉积层，具有重要的研究和实际应用价值。

为了解决上述技术问题，本发明一种碳纤维表面电沉积ZnO层复合材料，是在连续碳纤维表面电化学沉积ZnO层，所述电化学沉积ZnO层厚度为0.2～1.0μm。

进一步讲，碳纤维表面电沉积ZnO层复合材料，其中，所述连续碳纤维是聚丙烯腈基连续碳纤维、沥青基连续碳纤维和胶粘基连续碳纤维中的任一种。

另外，所述连续碳纤维的丝束是1k、3k、6k、12k、24k及以上。

本发明一种碳纤维表面电沉积ZnO层的制备方法，包括以下步骤：

1)将连续碳纤维在体积分数为50％～65％的硝酸溶液中常温浸泡6～8h，后用去离子水清洗至中性；该步骤的目的在于用强酸去除碳纤维表面杂质，对碳纤维表面进行氧化，增大沉积表面积及碳纤维表面活性；

2)配置摩尔浓度为0.05～0.15mol/L的硝酸锌Zn(NO₃)₂电解液，其pH值为5.0～6.0，本发明中电解液的成分简单，其pH值为电解液的初始值；

3)以纯度为99.99％的金属板为阳极，将由步骤1)处理后的连续碳纤维作为阴极，采用恒电压沉积，通直流电压，其电压为0.7～1.0V，在20-60℃下搅拌，电沉积时间5～15min；电沉积ZnO层厚度通过电沉积时间进行控制，保证电沉积ZnO层厚度为0.2～1.5μm；

4)将电化学沉积完成的连续碳纤维用去离子水冲洗，再用无水乙醇冲洗，用吹风机吹干，至此，得到碳纤维表面包覆有0.2～1.0μm电沉积ZnO层的复合材料。

其中，作为阳极的金属板优选为纯锌板。

本发明一种碳纤维表面电沉积ZnO层复合材料作为结构吸波材料的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明首次提供纯ZnO包覆碳纤维复合材料制备方法及应用，材料制备是通过电沉积法在碳纤维表面获得均匀致密的ZnO层，使碳纤维在保持其原有性能的基础上，具有优良的阻抗匹配性能，方法简单易行，成本低，得到的复合材料产物质量好。因此，本发明不仅改善了碳纤维的阻抗匹配性能，增加了材料的损耗，更有效提高此复合材料的生产效率和质量，提高材料对微波的吸收同时提供一种简单易行的生产方法。

附图说明

图1(a)为实施例2所得碳纤维表面电沉积ZnO层复合材料的SEM形貌照片；

图1(b)是图1(a)的放大图；

图1(c)为实施例3所得碳纤维表面电沉积ZnO层复合材料的SEM形貌照片；

图1(d)是图1(c)的放大图；