[发明专利]一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法，包括：步骤1：制备酒石酸铜沉淀；步骤2：对碳纤维进行预处理；步骤3：将碳纤维浸渍于酒石酸铜沉淀的悬浮液中；步骤4：将浸渍后的碳纤维放置于CVD炉中，在真空状态下加热至240‑260℃，保温后通入碳源，沉积一段时间即可。该方法能解决螺旋碳纳米管在碳纤维表面结合力差的问题，同时拓宽了螺旋碳纳米管的应用领域。

技术领域

本发明涉及材料科学与工程领域，具体涉及一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法及应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

碳纤维增强聚合物复合材料(CFRPs)由于具有高比强度，高比模量，耐老化，耐腐蚀，质轻等一系列优点而广泛应用于航空航天，汽车工业，运动休闲等领域。由于碳纤维表面光滑，表面缺少活性基团并且呈现化学惰性，因此在和树脂复合时很容易在两者界面处形成微小的裂缝，这些裂缝在外力作用下很容易成为裂纹的萌发点，从而造成宏观上的材料失效。因此，现在很多研究者集中于改善碳纤维的表面，提高其与树脂的界面结合强度，从微观尺度改善两者之间的界面。

螺旋碳纳米管由于具有特殊的三维螺旋结构而具有很多独特的物理与化学性能，比如超高弹性、高比强度等。将其作为第三相纳米粒子添加到复合材料中，可以显著改善脆性聚合物的力学性能。同时其独特的螺旋结构能与树脂形成机械互锁效应，不容易发生界面脱粘，是提高碳纤维增强聚合物复合材料力学性能的理想填料。然而，由于其纳米尺度很容易引起螺旋碳纳米管之间的相互缠结与聚集，不容易均匀分散到复合材料中，影响其增强效应。因此，用化学气相沉积(CVD)法将螺旋碳纳米管均匀沉积到碳纤维表面，是十分可行的方法。

王颖等人(表面改性对螺旋碳纳米管/环氧树脂复合材料力学性能的影响[J].高分子材料科学与工程，2018，34(10):10-45)将表面改性的螺旋碳纳米管添加到环氧树脂复合材料中，使得复合材料的力学性能有了大幅度提高。他们认为，表面改性能够增强螺旋碳纳米管与环氧树脂之间的界面相互作用，有利于两者之间的应力传递。

中国专利文件CN106829926A公开了一种高纯螺旋碳纳米管的制备方法。以纳米氧化铁为催化剂前驱体，用原位还原法使之还原为纳米铁催化剂，同时在400-500℃引入碳源和水汽作为催化调节助剂，保温6-10小时，得到高纯螺旋碳纳米管。此方法只是制备了高纯度的螺旋碳纳米管，并没有说明螺旋碳纳米管在复合材料中的应用。

但是化学气相沉积法在碳纤维表面制备碳纳米管存在以下问题，对于这一方面在硕士论文(“碳纤维表面生长碳纳米管及其结构性能研究”，陈铭，北京化工大学)中公开了如下内容：化学气相沉积法是制备CNT/CF最为普遍的方法，依据催化剂负载形式分为两种，固定法CVD法和浮游CVD法。固定法制备CNTs过程中，高温下的金属催化剂容易刻蚀纤维表面，形成缺陷导致纤维力学性能有一定程度下降；而浮游法需要的温度高，所用的碳源可能有一定毒性，且碳纳米管与纤维的结合效果较差。这说明，现有技术中利用化学气相沉积法在碳纤维表面沉积碳纳米管并无法突破高温以及两者结合效果较差的缺陷，如何在低温条件下还能够实现良好的结合效果这一点现有技术并未给出报道。

由于现有关于对螺旋碳纳米管的制备以及应用方面，缺乏低温条件下在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的报道，关于螺旋碳纳米管在复合材料中的应用的研究较少。因此，提供一种低温条件下在碳纤维表面沉积结合效果良好的螺旋型碳纳米管的方法具有重要意义。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法，其工艺简单、成本低、节约时间，能解决螺旋碳纳米管在碳纤维表面的均匀分散问题，实现碳纤维和碳纳米管良好的结合效果，同时拓宽了螺旋碳纳米管的应用领域。

基于上述研究成果，本公开提供以下技术方案：