碳纖維表面氧化鋁涂層的制備及性能研究.pdf

1、碳纖維及其復合材料憑借其優異的性能在軍事、航空航天、商用、民用領域得到了廣泛的應用，科技的不斷發展對碳纖維的性能提出了更高的要求。本文以異丙醇鋁為前驅體、硝酸為膠溶劑，利用溶膠凝膠法在碳纖維表面制備氧化鋁涂層，對溶膠的轉變機理以及氧化鋁涂層對纖維的電阻率、潤濕性、抗拉強度和抗氧化性能的影響進行了系統的研究。
　　采用正交實驗法研究溶膠制備工藝各影響因素對溶膠性能的影響，結果表明:在溶膠制備過程中溫度、反應時間以及硝酸量對粒徑大小和

2、溶膠粒徑分布均有影響，影響大小的順序都為:硝酸量＞溫度＞反應時間。確定了溶膠的最佳制備工藝為:前驅體溶液90℃水浴攪拌12h，逐滴加入硝酸0.030mol，靜置12h。傅里葉紅外變換光譜(FTIR)結果表明60～90℃范圍內，溫度對凝膠的分子結構影響不大。X射線衍射(XRD)測試結果表明:按照本文實驗工藝制備的干凝膠為AlOOH，衍射峰寬化，晶粒細小。
　　AlOOH凝膠在熱處理過程中，隨著溫度的升高，失重量增加，其中在100℃、

3、200℃、400℃時失重最迅速，對應的是溶劑蒸發、結構水的脫除以及有機醇的蒸發分解。當溫度達到500℃時，失重停止，開始陶瓷化轉變，凝膠收率為55％。在進行無機化轉變時，隨著溫度的升高，氧化鋁的晶型不斷變化，其晶相轉變順序為:AlOOH→γ-Al2O3→δ-Al2O3→θ-Al2O3→α-Al2O3。
　　對不同溫度下制備的氧化鋁涂層的比表面積及孔徑進行分析，結果表明:涂層的等溫吸脫附曲線為介孔材料的特征吸附曲線，曲線存在滯留回環

4、，說明在吸脫附過程中發生毛細冷凝現象。隨著熱處理溫度的升高，氧化鋁涂層的比表面積逐漸降低，晶粒長大伴隨孔徑的增大，孔隙率呈現先增大后減小的趨勢。在1200℃條件下，保溫2h，晶型完全轉變為α-Al2O3，此時由于體積收縮以及高溫致密化的作用，孔隙率降低，比表面積降至最低。
　　為提高溶膠對碳纖維的潤濕性，對T300和T700碳纖維進行除膠和液相氧化預處理，經400℃氮氣保護處理1h后，碳纖維失重約1.0％，掃描電子顯微鏡(SEM)

5、結果顯示碳纖維表面的上漿劑基本除凈。經70℃水浴硝酸氧化處理后，碳纖維表面的氧元素含量升高，碳纖維表面的含氧官能團增加，有利于溶膠對碳纖維的潤濕，為后續在碳纖維表面制備均勻的氧化鋁涂層奠定了基礎。
　　對涂覆在碳纖維表面的凝膠進行熱處理，使其在碳纖維表面發生原位陶瓷化轉變，研究結果表明:溶膠濃度在0.2～0.3mol/L范圍內，溫度1200℃，保溫2h，制備的氧化鋁涂層厚度均勻，纖維分散性好。在相同的制備條件下，活性碳纖維(P-A

6、CF)因為有更大的比表面積和微孔結構對溶膠的吸附能力更強，所制備氧化鋁涂層具有更好的連續性和完整性。采用兩次凝膠化處理，可以提高碳纖維表面氧化鋁涂層的厚度。碳纖維與涂層之間熱膨脹系數的差異以及涂層自身結構轉變時都會產生界面內應力，易導致涂層開裂，添加劑聚乙烯醇(PVA)的引入能夠緩解碳纖維和涂層之間的應力，有利于提高涂層的連續性和完整性。在反應劇烈的溫度點附近設置保溫點，并以1℃/min的升降溫速率進行熱處理，有利于在碳纖維表面獲得均勻

7、連續完整的涂層。
　　對本課題獲得的氧化鋁涂層碳纖維進行電性能測試，液硫潤濕性測試、抗拉強度測試以及抗氧化性能測試研究，結果表明:涂層碳纖維整體的電阻率由碳纖維本體的電阻率決定，氧化鋁涂層對其影響不大。T300和T700碳纖維電阻率隨熱處理溫度的升高變化不明顯且電阻率明顯低于活性碳纖維?；钚蕴祭w維在溶膠熱處理過程中隨著熱處理溫度的升高，R值降低，石墨化程度提高，La、Lc增大，電阻率明顯降低。纖維對硫的吸附曲線以及SEM結果表明:

8、纖維表面氧化鋁涂層的制備降低了碳纖維對硫的吸附量，涂層后碳纖維表面附著的硫明顯減少，硫對碳纖維的潤濕性明顯降低，該特性對碳纖維用做鈉硫電池正極材料，有效提高鈉硫電池的充放電特性意義重大。氧化鋁涂層碳纖維的抗拉強度測試結果表明:表面除膠及液相氧化處理對纖維的結構有所損傷，纖維拉伸強度明顯降低，涂覆涂層之后纖維強度較預處理后有所提升，但仍低于初始強度。氧化鋁涂層碳纖維抗氧化結果表明:氧化鋁涂層阻礙了纖維與氧氣的直接接觸，降低了氧氣的滲透速率