碳纤维表面氧化铝涂层及复合材料的制备

摘要

碳纤维增强陶瓷复合材料因具有高强度、高硬度、耐磨耐腐蚀以及一定的韧性等优异的综合性能而被广泛用作结构材料。但是陶瓷与纤维之间热膨胀系数以及结构性能的差异，导致复合材料界面结合效果很差，因此在碳纤维表面制备一定的过渡层可以有效地改善上述问题。氧化铝陶瓷涂层制备工艺简单多样，还可以改善碳纤维与复合材料基体得润湿性以及避免碳纤维在高温下氧化等方面有着独特的优势。因此，研究碳纤维表面氧化铝陶瓷涂层的制备有着重要的学术研究价值和实际应用价值。
　　本文通过研究介质、表面活性剂等对水和乙醇体系中通过球磨、超声分散等方法制备的纳米氧化铝颗粒悬浮液稳定性的影响，确定了适合电泳沉积制备涂层的最优悬浮液成分组合：100 mL无水乙醇、5wt％纳米Al2O3、10%（相对Al2O3质量比）Y2O3、0.3%聚乙烯亚胺（PEI）和0.5%聚乙烯缩丁醛（PVB）。采用双阳极体系，在20 V的直流电压下，电泳沉积20 min可在二维编织碳纤维表面制备一层厚度约为2.5μm的涂层，该涂层致密均匀且完全包覆纤维表面。
　　采用SPS工艺将上述涂覆氧化铝涂层的碳纤维叠加烧结，初步得到了二维编织碳纤维增强氧化铝复合材料。其中，粘结剂PVB能够有效地改善涂层厚度和均匀性；延长沉积时间、增加Al2O3固含量均能够有效地改善涂层形貌和厚度，从而获得均匀致密的氧化铝涂层。此外，添加烧结助剂Y2O3后，复合材料中发现了Y3Al5O12、Y5Al3O12两种共晶相，其存在有利于Al2O3基体的烧结以及复合材料均匀化。
　　此外，用乙酰丙酮（AcAcH）对仲丁醇铝进行螯合改性后，制备溶胶，并通过异相凝聚法和浸渍涂覆法，分别在碳纤维粉末和连续纤维上制备了铝化合物的凝胶涂层。该方法制备的凝胶成分为C15H21AlO6即三乙酰丙酮铝，当不添加螯合剂时，凝胶成分是AlO(OH)；两者在500℃保温1 h即可全部分解，转化为γ-Al2O3，从而在碳纤维表面制备氧化铝涂层。该方法获得的涂层厚度与溶胶浓度、反应时间有关，且浸渍涂覆的次数也会影响涂层均匀性和厚度。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 碳纤维简介

1.2 碳纤维的结构和性能

1.3 碳纤维的应用

1.3.1 碳纤维表面改性

1.3.2 碳纤维表面涂层

1.3.3 碳纤维表面Al2O3陶瓷涂层

1.3.4 碳纤维增韧氧化铝复合材料

1.4 本文研究目的与研究内容

第二章 实验材料与设备

2.1 实验材料

2.1.1 碳纤维的选用

2.1.2 实验药品

2.2.1 实验仪器设备

2.2.2 实验表征方法

第三章 电泳沉积制备编织碳纤维/氧化铝复合材料

3.1 前言

3.2 实验过程

3.2.1 纤维样品制备

3.2.2 氧化铝悬浮液的制备

3.2.3 电泳沉积实验及检测

3.2.4 碳纤维/氧化铝复合材料烧结制备

3.3 结果分析

3.3.1 Al2O3悬浮液稳定性分析

3.3.2 电泳沉积涂层形貌分析

3.3.3 复合材料物相分析

3.3.4 复合材料显微形貌分析

3.4 本章小结

第四章 溶胶-凝胶法在碳纤维表面制备氧化铝涂层

4.1 前言

4.2 实验过程

4.2.1 碳纤维预处理

4.2.2 溶胶-凝胶的制备

4.2.3 碳纤维表面氧化铝陶瓷涂层的制备

4.3 结果分析

4.3.1 碳纤维的表征

4.3.2 氧化铝前驱体溶胶、凝胶的表征

4.3.3 碳纤维表面氧化铝陶瓷涂层表征

4.4 本章小结

第五章 全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢