镀钛碳纤维的制备方法.pdf

本发明涉及一种镀钛碳纤维的制备方法。镀钛碳纤维的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：1)碳纤维的表面预处理；2)将表面预处理后的碳纤维和金属钛粉混合后加入酒精湿磨，得到混合粉末A；3)将盐酸与丙酮混合，得到混合溶液；4)将混合粉末A在混合溶液中超声分散、搅拌，得到悬浊溶液；5)悬浊溶液过滤，去除滤液后，真空干燥，得到预处理好的混合粉末B；6)氩气保护下管式气氛炉加热处理，得到混合粉末C；7)过筛后，得到镀钛碳纤维。本发明具有成本低、工艺简单、容易控制和规模化生产、生产效率高、设备简单的特点，得到的镀钛碳纤维其钛膜致密、均匀且由纳米钛颗粒组成，可广泛应用于增强增韧热沉材料等材料。

1.  镀钛碳纤维的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)碳纤维的表面预处理：将碳纤维放在丙酮中浸泡1小时，然后采用去离子水清洗，过滤后在400℃热空气气氛下氧化1小时；再用去离子水清洗，然后放在97wt％浓硝酸中80℃煮沸1小时；再用蒸馏水清洗、过滤，然后在80～100℃空气氛下干燥，得到表面预处理后的碳纤维，备用；
2)按表面预处理后的碳纤维∶金属钛粉的质量比＝1∶5～6，称取表面预处理后的碳纤维和金属钛粉，按表面预处理后的碳纤维与酒精的配比为(5～6)g∶(120～150)mL，选取酒精，备用；其中碳纤维的直径为6μm、长度为1～5mm，金属钛粉的粒度为300～400目；
将表面预处理后的碳纤维和金属钛粉混合后加入酒精湿磨，得到混合粉末A；
3)按表面预处理后的碳纤维与盐酸的配比为(5～6)g∶(20～40)mL，选取盐酸，按盐酸∶丙酮的质量比＝2∶10～20，选取丙酮；将盐酸与丙酮混合，得到混合溶液；
4)将湿磨好的混合粉末A在混合溶液中超声分散5～10分钟，然后强烈搅拌10～20分钟，得到悬浊溶液；
5)悬浊溶液过滤，去除滤液后，真空干燥，干燥温度为50～70℃，得到预处理好的混合粉末B；
6)氩气保护下管式气氛炉加热处理：将预处理好的混合粉末B放入氧化铝坩埚中，放入管式气氛炉中，待通入氩气排除空气后，气体流量控制在300～500mL/min，以升温速率5～10℃/分钟升温到700～800℃，保温0.5～2.5小时，待炉温降低到室温后，取出氧化铝坩埚，得到混合粉末C；
7)将混合粉末C经过200目的筛子过筛后，得到镀钛碳纤维。

镀钛碳纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种镀钛碳纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，具有低密度、低热膨胀系数、高比模量、良好的自润滑性等一系列优点，在复合材料领域里有广泛的应用，例如：聚合物、金属、陶瓷、碳、混凝土、树脂和玻璃陶瓷等材料(J.Zeng，et al，Appl.Surf.Sci.，255(2009)6647-6651；B.Bhav Singh，et al，J.Mater.Process.Technol.，209(2009)2104-2110；N.Padmavathi，et al，J.Mater.Process.Technol.，204(2008)434-439)。碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。碳纤维增强铜基复合材料更是综合了铜的良好导电、导热性及碳纤维的优点，从而具备良好的传导性、减摩耐磨性、耐电弧烧蚀性和抗熔焊性等一系列优点(Y.Z.Wan，et al，J.Mater.Sci.Lett.，16(1997)1561-1563；Y.P.Tang，et al，Mater.Des.，29(2008)257-261)。因为复合材料的综合性能不仅取决于组成材料，还受到组分之间界面质量的影响。因此制备综合性能良好的碳纤维增强铜基复合材料，首先要解决好碳纤维与铜基体之间的界面结合问题。而碳纤维与基体金属间的润湿性、化学相容性差，必须想办法改善碳纤维与铜基体间的润湿性，提高界面结合强度。较为有效的方法是对碳纤维进行表面氧化处理和金属涂覆处理。
碳纤维金属化的方法分为物理方法和化学方法：物理方法包括溅射法和金属粉末喷涂法等，化学方法主要采用化学镀和电镀。例如：化学镀镍(J.Rams，et al，Composites PartA，38(2007)566-575)；电镀镍(霍彩红等，表面技术，32(2003)40-42)；电镀铜(S.J.Park，et al，Int.J.Hydrogen Energy，33(2008)1706-1710)；化学镀银(侯伟等，材料保护，12(2007)45-48)；化学气相沉积镀碳化硅(K.Kusakabe，et al，Carbon，34(1996)179-185)；液相镀覆技术镀碳化硅(Y.Q.Wang，et al，Compos.Manuf.，6(1995)103-106)；溶胶-凝胶技术结合真空退火技术镀四氧化三铁(J.Xu，et al，Mater.Sci.Eng.，B，132(2006)307-310)；电泳淀积陶瓷镀层(A.R.Boccaccini，et al，Mater.Lett.，51(2001)225-230)；物理气相沉积镀钛(C.Arvieu，et al，J.Alloys Compd.，368(2004)116-122)；电镀和化学镀铜(胡文彬，碳纤维均匀镀铜工艺，申请号94110865.1，1994年3月申请)；电镀镍、铜、铁(胡文彬等，短碳纤维的金属化处理方法，申请号200610024510.8，2006年3月申请)；化学镀银(姜再兴等，一种碳纤维表面改性方法，申请号200810137524.X，2008年11月申请)；表面锌涂(王浩伟等，一种碳纤维表面锌涂层的制备方法，申请号200810032221.1，2008年1月申请)等。
目前，关于粉末镀钛的方法中应用较成熟的方法还有真空微蒸发镀钛技术，主要应用在金刚石表面金属化，可以大大提高金刚石的热稳定性，使金刚石表面的缺陷得以弥合、裂纹尖端钝化(王艳辉，金刚石与磨料磨具工程，169(2009)5-8)。这种方法的主要优点是镀覆质量较高、单次镀覆量大等优点(李国彬等，金刚石与磨料磨具工程，158(2007)14-19)，但是高真空条件比较苛刻、设备相对昂贵。另一种常用的磁控溅射镀钛方法所需的设备、溅射条件及参数也相对较复杂，生产成本高、不易大批量生产。而对本发明涉及的碳纤维采用气氛保护酸式镀钛的方法还未见到相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低、工艺简单、容易控制和规模化生产的镀钛碳纤维的制备方法。
为了实现本发明的目的，本发明所采取的技术方案是：镀钛碳纤维的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)碳纤维的表面预处理：将碳纤维放在丙酮中浸泡1小时，然后采用去离子水清洗，过滤后在400℃热空气气氛下氧化1小时；再用去离子水清洗，然后放在97wt％浓硝酸中80℃煮沸1小时；再用蒸馏水清洗、过滤，然后在80～100℃空气氛下干燥，得到表面预处理后的碳纤维，备用；
2)按表面预处理后的碳纤维∶金属钛粉的质量比＝1∶5～6，称取表面预处理后的碳纤维和金属钛粉，按表面预处理后的碳纤维与酒精的配比为(5～6)g∶(120～150)mL，选取酒精，备用；其中碳纤维的直径为6μm、长度为1～5mm，金属钛粉的粒度为300～400目；
将表面预处理后的碳纤维和金属钛粉混合后加入酒精湿磨，得到混合粉末A；
3)按表面预处理后的碳纤维与盐酸(HCl)的配比为(5～6)g∶(20～40)mL，选取盐酸，按盐酸∶丙酮(CH₃COCH₃)的质量比＝2∶10～20，选取丙酮；将盐酸与丙酮混合，得到混合溶液；
4)将湿磨好的混合粉末A在混合溶液中超声分散5～10分钟，然后强烈搅拌10～20分钟，得到悬浊溶液；
5)悬浊溶液过滤，去除滤液后，真空干燥，干燥温度为50～70℃，得到预处理好的混合粉末B；
6)氩气保护下管式气氛炉加热处理：将预处理好的混合粉末B放入氧化铝坩埚中，放入管式气氛炉中，待通入氩气排除空气后，气体流量控制在300～500mL/min，以升温速率5～10℃/分钟升温到700～800℃，保温0.5～2.5小时，待炉温降低到室温后，取出氧化铝坩埚，得到混合粉末C；
7)将混合粉末C经过200目的筛子过筛后，得到镀钛碳纤维。
所述的超声条件：功率为60～100W，频率为20～40kHz。
所述的强烈搅拌是指转速在500转/分钟以上。
本发明的有益效果是：
1、成本低：制备过程中使用的原材料组份少，工艺简单、设备简单，因此具有成本低的特点。
2、制备过程工艺步骤少，所需设备简单；因此具有工艺简单、容易控制和规模化生产的特点。
3、得到的镀钛碳纤维其钛膜致密且由纳米钛颗粒组成，可广泛应用于增强增韧热沉材料等材料。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图；
图2是表面预处理后的碳纤维及本发明实施例1制得镀钛碳纤维的X射线衍射图谱；
图3a是表面预处理后的碳纤维的场发射扫描电镜图；
图3b是图3a的放大图；
图4a是本发明实例1制得镀钛碳纤维的扫描电镜图；
图4b是图4a的放大图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
如图1所示，镀钛碳纤维的制备方法，它包括如下步骤：
1)将原始的碳纤维放在丙酮中浸泡1小时，然后采用去离子水清洗，过滤后在400℃热空气气氛下氧化1小时；再用去离子水清洗，放在97wt％浓硝酸中80℃煮沸1小时，用蒸馏水清洗、过滤，在80℃空气氛下干燥，得到表面预处理后的碳纤维，备用；
2)称取5g表面预处理后的碳纤维(直径为6μm、长度为1～5mm)和25g、400目金属钛粉，加入150mL的酒精湿磨，得到混合粉末A；
3)量取30mL盐酸、200mL丙酮，配置成混合溶液；
4)将混合粉末A在混合溶液中超声分散5分钟，然后继续强烈搅拌10分钟，得到悬浊溶液；
5)悬浊溶液过滤后(去除滤液)，真空干燥，干燥温度为50℃，得到预处理好的混合粉末B；
6)将预处理好的混合粉末B放入氧化铝坩埚中，放入氩气保护下管式气氛炉中，待通入氩气排除空气后，气体流量控制在500mL/min，以升温速率10℃/分钟升温到800℃，保温0.5小时，待炉温降低到室温后，取出氧化铝坩埚，得到混合粉末C；
7)将混合粉末C经过200目的筛子过筛后，得到镀钛碳纤维。
图2为镀钛碳纤维的X射线衍射图谱，显示采用这种镀钛工艺在碳纤维表面已经包覆了钛膜。图3(a)为原始碳纤维的场发射扫描电镜图，图3(b)为其放大图。图4(a)为镀钛之后的碳纤维的扫描电镜图，图4(b)为镀钛碳纤维的局部放大图，表明碳化硅表面镀覆了一层钛膜，表面钛层致密、均匀，且其由纳米钛颗粒组成。
实施例2：
如图1所示，镀钛碳纤维的制备方法，它包括如下步骤：
1)将原始的碳纤维放在丙酮中浸泡1小时，然后采用去离子水清洗，过滤后在400℃热空气气氛下氧化1小时；再用去离子水清洗，放在97wt％浓硝酸中80℃煮沸1小时，用蒸馏水清洗、过滤，在100℃空气氛下干燥，得到表面预处理后的碳纤维，备用；
2)称取6g表面预处理后的碳纤维(直径为6μm、长度为1～5mm)和30g、300目金属钛粉，加入120mL的酒精湿磨，得到混合粉末A；
3)量取20mL盐酸、100mL丙酮，配置成混合溶液；
4)将混合粉末A在混合溶液中超声分散5分钟，然后继续强烈搅拌10分钟，得到悬浊溶液；
5)悬浊溶液过滤后(去除滤液)，真空干燥，干燥温度为70℃，得到预处理好的混合粉末B；
6)将预处理好的混合粉末B放入氧化铝坩埚中，放入氩气保护下管式气氛炉中，待通入氩气排除空气后，气体流量控制在300mL/min，以升温速率5℃/分钟升温到700℃，保温2.5小时，待炉温降低到室温后，取出氧化铝坩埚，得到混合粉末C；
7)将混合粉末C经过200目的筛子过筛后，得到镀钛碳纤维。
实施例3：
如图1所示，镀钛碳纤维的制备方法，它包括如下步骤：
1)将原始的碳纤维放在丙酮中浸泡1小时，然后采用去离子水清洗，过滤后在400℃热空气气氛下氧化1小时；再用去离子水清洗，放在97wt％浓硝酸中80℃煮沸1小时，用蒸馏水清洗、过滤，在90℃空气氛下干燥，得到表面预处理后的碳纤维，备用；
2)称取5g表面预处理后的碳纤维(直径为6μm、长度为1～5mm)和25g、300目金属钛粉，加入150mL的酒精湿磨，得到混合粉末A；
3)量取40mL盐酸、200mL丙酮，配置成混合溶液；
4)将混合粉末A在混合溶液中超声分散10分钟，然后继续强烈搅拌20分钟，得到悬浊溶液；
5)悬浊溶液过滤后(去除滤液)，真空干燥，干燥温度为60℃，得到预处理好的混合粉末B；
6)将预处理好的混合粉末B放入氧化铝坩埚中，放入氩气保护下管式气氛炉中，待通入氩气排除空气后，气体流量控制在400mL/min，以升温速率5℃/分钟升温到750℃，保温1.5小时，待炉温降低到室温后，取出氧化铝坩埚，得到混合粉末C；
7)将混合粉末C经过200目的筛子过筛后，得到镀钛碳纤维。
实施例4：
如图1所示，镀钛碳纤维的制备方法，它包括如下步骤：
1)将原始的碳纤维放在丙酮中浸泡1小时，然后采用去离子水清洗，过滤后在400℃热空气气氛下氧化1小时；再用去离子水清洗，放在97wt％浓硝酸中80℃煮沸1小时，用蒸馏水清洗、过滤，在80℃空气氛下干燥，得到表面预处理后的碳纤维，备用；
2)称取6g表面预处理后的碳纤维(直径为6μm、长度为1～5mm)和36g、400目金属钛粉，加入120mL的酒精湿磨，得到混合粉末A；
3)量取20mL盐酸、200mL丙酮，配置成混合溶液；
4)将混合粉末A在混合溶液中超声分散8分钟，然后继续强烈搅拌15分钟，得到悬浊溶液；
5)悬浊溶液过滤后(去除滤液)，真空干燥，干燥温度为55℃，得到预处理好的混合粉末B；
6)将预处理好的混合粉末B放入氧化铝坩埚中，放入氩气保护下管式气氛炉中，待通入氩气排除空气后，气体流量控制在480mL/min，以升温速率10℃/分钟升温到800℃，保温2小时，待炉温降低到室温后，取出氧化铝坩埚，得到混合粉末C；
7)将混合粉末C经过200目的筛子过筛后，得到镀钛碳纤维。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温度、时间、真空度等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。