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利用「氮化硼涂层」来保护碳纤维!
2020年11月16日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:164
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碳纤维(Carbon fiber)是一种高强度和模量的耐高温纤维,为化纤的高端品种。为了产生碳纤维,碳原子在晶体中被键合在一起,平行排列的纤维长轴给予碳纤维相当高的强度-体积比,因此碳纤维具有相当优异的物理特性,如高硬度,高强度,重量轻,高耐化学性,耐高温和低的热膨胀等,在航天工程、土木工程,军事,赛车与其他竞技体育运动制品中很受欢迎。

碳纤维

碳纤维最主要的应用形式,就是与陶瓷、塑料、金属等材料复合使用,通过自身优异的物理性质去补足或是增强基体材料的某些特性,比如说碳纤维复合SiC陶瓷材料的强度和韧性就得到了很好的改善——这是因为复合陶瓷在断裂时会发生纤维拔出、桥连、脱粘和断裂,使基体裂纹发生微化和偏转等,从而提高陶瓷韧性。

备注:纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿界面的滑出现象,显著的拔出效应可以提高复合材料的韧性。

碳纤维

碳纤维陶瓷制动盘

但是碳纤维有个很致命的问题,那就是它的抗氧化性能差,在400℃就开始氧化,这就大大地限制了碳纤维的应用范围。为改善碳纤维的抗氧化性,在碳纤维表面引入一层具有强抗氧化的保护膜,对于提高碳纤维的抗氧化性是非常重要的。目前可用于高温长时抗氧化的涂层材料中,六方氮化硼(hBN由于具有低密度、高熔点、高电阻率、良好的热传导和极低的介电常数等优异性能,因此是碳纤维保护膜的首选截面材料。

据科学家研究,BN在空气中的起始氧化温度高于800℃,并且其类石墨的层状结构与炭纤维具有良好的热物理相容性,作为纤维表面涂层材料可进一步提高碳纤维得抗氧化能力;而且在雷达侦测等领域,BN涂层包覆炭纤维后,由于其低的介电常数(5.16)和低介电损耗(0.0002)与空气相近,因此更容易实现阻抗匹配,可减少电磁波在炭纤维表面的直接反射。

BN涂层的制备工艺

BN涂层的制备工艺较为常见,主要分为两种:其一是化学气相沉积法(CVD),特点是涂层连续均匀,厚度可控,纤维强度保留率高,是制备BN 涂层的常用方法。采用CVD 法制备 BN 涂层的流程如图所示:

氮化硼涂层

在制备涂层的过程中,混合气体的比例,沉积的压力、时间、以及温度等都对涂层的厚度、质量有很大的影响。因此虽然CVD法制备涂层有连续均匀,厚度可控的优点,但对设备要求较高,制备周期长,且难以制备厚壁以及大尺寸构件。

另一种工艺“前驱体浸渍裂解法”也常用于纤维涂层的制备,其流程为:将处理过的纤维(除去表面上浆剂)浸渍在一定浓度的有机陶瓷前驱体溶液中,使得纤维表面涂覆上前驱体溶液,再经过固化、交联以及裂解逐渐形成陶瓷基体,最后经过多轮次浸渍裂解在纤维表面形成致密的陶瓷涂层。下图为纤维涂层形成过程示意图:

纤维涂层 

纤维涂层过程示意图

此法具有制备工艺简单,易于制备大尺寸构件的优点,但也存在涂层缺陷多,涂层制备工艺对纤维强度有一定损伤等问题。目前前驱体浸渍裂解法已在碳化硅纤维、碳纤维表面制备氮化硼涂层上实现了应用。

资料来源:

碳纤维表面 BN 涂层的制备和表征,韦永山,杜作娟,李想,黄小忠,惠忆聪,梁艳梅,程勇,周珊,杨泽波,王超英,陈辉,龙国宁。

炭纤维表面BN涂层的制备及其介电性能,李杨,肖鹏,周伟,罗衡。

氮化硼涂层的CVD制备工艺研究,李琳琳。

氮化硅纤维表面氮化硼涂层的制备与性能研究,延成宇。

粉体圈NANA整理


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