專利名稱：碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)材料的其制備方法，特別是涉及一種碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的其制備方法。
背景技術(shù)：
混雜增強(qiáng)材料由于各種增強(qiáng)材料不同性質(zhì)的相互補(bǔ)充，特別是由于產(chǎn)生混雜效應(yīng)將明顯提高或改善原單一增強(qiáng)材料的某些性能。碳纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如高比強(qiáng)度、 高比模量，特別是在2000°C以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的耐高溫材料，因此在復(fù)合材料領(lǐng)域，碳纖維被廣泛用于復(fù)合材料增強(qiáng)體。氧化鋯是一種具有高熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗腐蝕性能優(yōu)良的無(wú)機(jī)非金屬材料，廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料增強(qiáng)增韌及基體改性研究。碳纖維/氧化鋯混雜增強(qiáng)材料是近年來(lái)提出的復(fù)合材料增強(qiáng)體，其中氧化鋯多為納米顆粒。文獻(xiàn)I “公開(kāi)號(hào)是CN1724473的中國(guó)發(fā)明專利”公開(kāi)了一種碳納米管/氧化鋯復(fù)合增強(qiáng)體的制備方法，該方法將碳納米管/氧化鋯混雜增強(qiáng)體應(yīng)用于氧化鋁陶瓷中可以明顯提高其斷裂韌性。文獻(xiàn) 2 “Hybrid effect of nanoparticles with carbon fibers on the mechanical and wear properties of polymer composites[Composites Part B(2011), Article in press] ”公開(kāi)了一種碳纖維和納米氧化錯(cuò)顆?；祀s增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料,研究結(jié)果表明納米氧化鋯顆粒和碳纖維的結(jié)合可有效提高復(fù)合材料拉伸性能。文獻(xiàn) 3 “Fracture behaviour of hybrid glass matrix composites thermal ageing effects [Composites Part A 34 (2003) 1177-1185] ” 公開(kāi)了一種短切碳纖維和氧化鋯混雜增強(qiáng)玻璃基復(fù)合材料，研究結(jié)果表明混雜增強(qiáng)體可改善復(fù)合材料的斷裂行為。但是以上文獻(xiàn)公開(kāi)的制備方法反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)溫度高，操作復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的增強(qiáng)材料的制備方法制備過(guò)程復(fù)雜的不足，本發(fā)明提供一種碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的其制備方法。該方法將碳纖維預(yù)制體置于含鋯離子水溶液中，經(jīng)微波水熱合成反應(yīng)、洗滌、干燥，得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。該混雜增強(qiáng)材料兼顧碳纖維和氧化鋯納米線兩種增強(qiáng)體的特點(diǎn)使之起到相互彌補(bǔ)的作用，特別是由于產(chǎn)生的混雜效應(yīng)可以提高單一碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能和抗燒蝕性能；該混雜增強(qiáng)材料中氧化鋯納米線均勻生長(zhǎng)在碳纖維表面，可以滿足對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和功能兼?zhèn)涞囊?。通過(guò)控制鋯鹽溶液濃度、PH值及微波水熱反應(yīng)溫度、時(shí)間，進(jìn)而控制混雜材料中碳纖維和氧化鋯納米線的比例及氧化鋯納米線的分布狀態(tài)?？梢赃_(dá)到制備過(guò)程反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)溫度低、操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好的效果。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的其制備方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟
步驟一，將碳纖維預(yù)制體在真空高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行1600°C熱處理，以去除碳纖維表面雜質(zhì)；步驟二，選用高純度水溶性鋯鹽溶于去離子水，配置成溶液，用濃度為15%的氨水調(diào)節(jié)溶液PH值，并置于恒溫磁力攪拌器在50°C充分?jǐn)嚢?，溶液中鋯離子的濃度為I 2. 5mol/L,溶液pH值為5 11 ;步驟三，將步驟二制備的溶液陳化lh，與經(jīng)步驟I處理的碳纖維預(yù)制體置于微波消解罐中，將微波消解罐移入微波合成儀中進(jìn)行合成反應(yīng)，微波水熱合成反應(yīng)時(shí)間為20 50min，微波水熱合成反應(yīng)溫度為160 190°C，微波水熱合成反應(yīng)壓力為I 4MPa，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；步驟四，將經(jīng)步驟三處理的碳纖維預(yù)制體分別經(jīng)質(zhì)量濃度為10%鹽酸溶液、去離子水及無(wú)水乙醇洗滌，60°C烘干，得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。所述碳纖維預(yù)制體是短切碳纖維、碳?xì)?、碳布或碳纖維編制體的任一種。所述水溶性鋯鹽是ZrOCl2 · 8H20、ZrCl4 或 ZrO(NO3)2 · 2H20 的任一種。本發(fā)明的有益效果是由于將碳纖維預(yù)制體置于含鋯離子水溶液中，經(jīng)微波水熱合成反應(yīng)、洗滌、干燥，得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。該混雜增強(qiáng)材料兼顧了碳纖維和氧化鋯納米線兩種增強(qiáng)體的特點(diǎn)使之起到相互彌補(bǔ)的作用，特別是由于產(chǎn)生的混雜效應(yīng)提高了單一碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能和抗燒蝕性能；該混雜增強(qiáng)材料中氧化鋯納米線均勻生長(zhǎng)在碳纖維表面，滿足了對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和功能兼?zhèn)涞囊蟆Ｍㄟ^(guò)控制鋯鹽溶液濃度、PH值及微波水熱反應(yīng)溫度、時(shí)間，進(jìn)而控制混雜材料中碳纖維和氧化鋯納米線的比例及氧化鋯納米線的分布狀態(tài)。制備過(guò)程反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)溫度低、操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。


圖I是由本發(fā)明方法實(shí)施例4制備的碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料中氧化鋯納米線的X-射線衍射(XRD)圖譜；圖2是本發(fā)明方法實(shí)施例4制備的碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的掃描電鏡(SEM)照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :步驟I :將短切碳纖維在真空高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行1600°C熱處理，以去除碳纖維表面雜質(zhì)；步驟2 :選用高純度水溶性ZrOCl2 · 8H20溶于去離子水，配置成溶液，用濃度為 15%的氨水調(diào)節(jié)溶液pH值，并置于恒溫磁力攪拌器在50°C充分?jǐn)嚢?，溶液中鋯離子的濃度為 lmol/L,溶液 pH = 5 ；步驟3 :將步驟2制備的溶液陳化Ih后，與經(jīng)步驟I處理的短切碳纖維置于微波消解罐中，將微波消解罐移入微波合成儀中進(jìn)行合成反應(yīng)，微波水熱合成反應(yīng)時(shí)間為20min， 微波水熱合成反應(yīng)溫度為160°C，微波水熱合成反應(yīng)壓力為IMPa，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到
室溫；
步驟4 :將經(jīng)步驟3處理的短切碳纖維分別經(jīng)質(zhì)量濃度為10%鹽酸溶液、去離子水及無(wú)水乙醇洗滌，60°C烘干，得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。實(shí)施例2 步驟I :將碳?xì)衷谡婵崭邷責(zé)Y(jié)爐中進(jìn)行1600°C熱處理，以去除碳?xì)直砻骐s質(zhì)；步驟2 :選用高純度水溶性ZrOCl2 · 8H20溶于去離子水，配置成溶液，用濃度為 15%的氨水調(diào)節(jié)溶液pH值，并置于恒溫磁力攪拌器在50°C充分?jǐn)嚢瑁芤褐袖嗠x子的濃度為 L 5mol/L,溶液 pH = 7 ;步驟3 :將步驟2制備的溶液陳化Ih后，與經(jīng)步驟I處理的碳?xì)种糜谖⒉ㄏ夤拗校瑢⑽⒉ㄏ夤抟迫胛⒉ê铣蓛x中進(jìn)行合成反應(yīng)，微波水熱合成反應(yīng)時(shí)間為30min，微波水熱合成反應(yīng)溫度為170°C，微波水熱合成反應(yīng)壓力為2MPa，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；步驟4 :將經(jīng)步驟3處理的碳?xì)址謩e經(jīng)質(zhì)量濃度為10%鹽酸溶液、去離子水及無(wú)水乙醇洗滌，60°C烘干，后即得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。實(shí)施例3 步驟I :將碳布在真空高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行1600°C熱處理，以去除碳布表面雜質(zhì)；步驟2 :選用高純度水溶性ZrCl4溶于去離子水，配置成溶液，用濃度為15%的氨水調(diào)節(jié)溶液PH值，并置于恒溫磁力攪拌器在50°C充分?jǐn)嚢?，溶液中鋯離子的濃度為2mol/ L，溶液 pH = 9 ；步驟3 :將步驟2制備的溶液陳化Ih后，與經(jīng)步驟I處理的碳布置于微波消解罐中，將微波消解罐移入微波合成儀中進(jìn)行合成反應(yīng)，微波水熱合成反應(yīng)時(shí)間為40min，微波水熱合成反應(yīng)溫度為180°C，微波水熱合成反應(yīng)壓力為3MPa，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；步驟4 :將經(jīng)步驟3處理的碳布分別經(jīng)質(zhì)量濃度為10%鹽酸溶液、去離子水及無(wú)水乙醇洗滌，60°C烘干，得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。實(shí)施例4 步驟I :將碳纖維編制體在真空高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行1600°C熱處理，以去除碳纖維編制體表面雜質(zhì)；步驟2 :選用高純度水溶性ZrO(NO3)2 · 2H20溶于去離子水，配置成溶液，用濃度為 15%的氨水調(diào)節(jié)溶液pH值，并置于恒溫磁力攪拌器在50°C充分?jǐn)嚢?，溶液中鋯離子的濃度為 2. 5mol/L,溶液 pH = 11 ；步驟3 :將步驟2制備的溶液陳化Ih后，與經(jīng)步驟I處理的碳纖維編制體置于微波消解罐中，將微波消解罐移入微波合成儀中進(jìn)行合成反應(yīng)，微波水熱合成反應(yīng)時(shí)間為 50min，微波水熱合成反應(yīng)溫度為190°C，微波水熱合成反應(yīng)壓力為4MPa，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；步驟4 :將經(jīng)步驟3處理的碳纖維編制體分別經(jīng)質(zhì)量濃度為10%鹽酸溶液、去離子水及無(wú)水乙醇洗滌，60°C烘干，得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。由圖I可以看出實(shí)施例4制備的氧化鋯納米線晶相為單斜相和四方相氧化鋯。由圖2可以看出實(shí)施例4制備的碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料中氧化鋯納米線均勻分布在碳纖維表面及碳纖維之間。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的其制備方法，其特征在于包括以下步驟步驟一，將碳纖維預(yù)制體在真空高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行1600°c熱處理，以去除碳纖維表面雜質(zhì)；步驟二,選用高純度水溶性鋯鹽溶于去離子水,配置成溶液,用濃度為15%的氨水調(diào)節(jié)溶液PH值，并置于恒溫磁力攪拌器在50°C充分?jǐn)嚢瑁芤褐袖嗠x子的濃度為I 2. 5mol/ L，溶液pH值為5 11 ；步驟三，將步驟二制備的溶液陳化lh，與經(jīng)步驟I處理的碳纖維預(yù)制體置于微波消解罐中，將微波消解罐移入微波合成儀中進(jìn)行合成反應(yīng)，微波水熱合成反應(yīng)時(shí)間為20 50min，微波水熱合成反應(yīng)溫度為160 190°C，微波水熱合成反應(yīng)壓力為I 4MPa，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；步驟四，將經(jīng)步驟三處理的碳纖維預(yù)制體分別經(jīng)質(zhì)量濃度為10%鹽酸溶液、去離子水及無(wú)水乙醇洗滌，60°C烘干，得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的其制備方法，其特征在于所述碳纖維預(yù)制體是短切碳纖維、碳?xì)帧⑻疾蓟蛱祭w維編制體的任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的其制備方法，其特征在于所述水溶性鋯鹽是ZrOCl2 · 8H20、ZrCl4或ZrO(NO3)2 · 2H20的任一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料的其制備方法，用于解決現(xiàn)有的增強(qiáng)材料的制備方法制備過(guò)程復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是將碳纖維預(yù)制體置于含鋯離子水溶液中，經(jīng)微波水熱合成反應(yīng)、洗滌、干燥，得到碳纖維/氧化鋯納米線混雜增強(qiáng)材料。該混雜增強(qiáng)材料兼顧了碳纖維和氧化鋯納米線兩種增強(qiáng)體的特點(diǎn)使之起到相互彌補(bǔ)的作用，特別是由于產(chǎn)生的混雜效應(yīng)提高了單一碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能和抗燒蝕性能；該混雜增強(qiáng)材料中氧化鋯納米線均勻生長(zhǎng)在碳纖維表面，滿足了對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和功能兼?zhèn)涞囊?。通過(guò)控制鋯鹽溶液濃度、pH值及微波水熱反應(yīng)溫度、時(shí)間，制備過(guò)程反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)溫度低、操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)C04B35/80GK102584308SQ20121002456
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者張雨雷, 李克智, 李翠艷 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)