專利名稱:一種高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種復(fù)合碳纖維及其制備方法,尤其是涉及一種高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維及其制備方法。
背景技術(shù):
早期的飛機(jī)外殼為鋁合金材料,外部金屬結(jié)構(gòu)是最基本的雷擊保護(hù)層,在遭到雷擊時(shí)金屬表面如屏蔽板一樣,強(qiáng)大的電流平順地流過機(jī)身或機(jī)翼表皮,不會(huì)對(duì)飛機(jī)造成嚴(yán)重的損壞。隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展,碳纖維復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。但碳纖維材料的導(dǎo)電性較金屬材料差,當(dāng)雷電閃擊碳纖維材料部件時(shí),很難在短時(shí)間內(nèi)將電流導(dǎo)走,從而導(dǎo)致溫度上升,導(dǎo)致碳纖維材料產(chǎn)生深度分層或被嚴(yán)重?zé)g,整個(gè)部件的強(qiáng)度、剛度大幅度下降,造成結(jié)構(gòu)破壞,危及正常使用。因此,必須對(duì)碳纖維復(fù)合構(gòu)件的外部表面進(jìn)行防雷擊防護(hù)。目前典型的防雷擊保護(hù)由置于復(fù)合結(jié)構(gòu)外部表面上的一層金屬箔或金屬網(wǎng)組成,以便將雷擊能量分散或消散掉。美國(guó)專利[US5470413A]描述了一種將金屬箔或網(wǎng)粘結(jié)在用于雷擊防護(hù)的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)表面上的方法。在制造該結(jié)構(gòu)時(shí),可以將金屬箔或網(wǎng)結(jié)合在疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面部位。波音公司報(bào)道了一種雷擊保護(hù)層的結(jié)構(gòu),將鍍鎳后的碳纖維編織入復(fù)合材料的表層,作為傳導(dǎo)電流層,以便將雷擊電流傳導(dǎo)或消散掉。文獻(xiàn)[Nature,457,706-710,2009 和 Science 324,1312-1314,2009]分別報(bào)
道了一種在金屬鎳和銅表面制備石墨烯的方法,在金屬表面制備出大面積的石墨烯層。石墨烯是由碳原子按照正六邊形緊密排列成蜂窩狀晶格的單層二維平面結(jié)構(gòu),電子遷移率超過15000cm2/V.S,電阻率比銅或銀更低;其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m.K,高于碳納米管和金剛石,具有十分優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)防雷擊保護(hù)層對(duì)導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的特殊要求,本發(fā)明提供了一種高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維及其制備方法。一種高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維,其特征在于:
由碳纖維及自下而上依次附著在其表面的金屬涂層和石墨烯涂層組成;
所述碳纖維為碳纖維絲、碳纖維束、碳纖維布、碳纖維紙或碳纖維織物;
所述金屬涂層為金屬銅涂層、金屬鎳涂層或金屬銥涂層;
所述金屬涂層厚度為50-500nm。所述高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維的制備方法,其特征在于包括以下步驟:
步驟1、對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理;其中表面改性處理參數(shù)為:溫度300-350°C,空氣氧化 30-150min ;或者 1000-1200°C,真空處理 30_150min。步驟2、然后利用濺射法在上述碳纖維表面制備金屬涂層;具體參數(shù)為:靶材為鎳、銅或者銥,濺射功率150-300W,氬氣流量為20-40SCCm,濺射氣壓0.l_lPa,襯底溫度200-300°C,濺射時(shí)間 10-120min ;
步驟3、接著利用化學(xué)氣相沉積法在上述金屬涂層表面制備石墨烯涂層;具體參數(shù)為:甲烷流量5-50mL/min,氫氣流量5_15mL/min,生長(zhǎng)溫度900-1000°C,生長(zhǎng)氣壓10_500Pa,生長(zhǎng)時(shí)間Ι-lOmin,降溫速度30-60°C/min。步驟4、獲得高導(dǎo)電的復(fù)合碳纖維。本發(fā)明的有益效果:石墨烯的電阻率比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料;其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m.K,高于碳納米管和金剛石。因而利用本發(fā)明制備的復(fù)合碳纖維具有十分優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,能夠?qū)⒗讚裟芰垦杆賯鲗?dǎo)或消散掉,大大提高了碳纖維材料的抗雷擊能力。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖:
10為碳纖維;20為金屬涂層;30為石墨稀涂層。具體實(shí)施案例
現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明,這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖,以下實(shí)施案例僅為例示說明作用,而不應(yīng)解釋為本發(fā)明實(shí)施的限制。實(shí)施例1:一種高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維,其特征在于所述復(fù)合碳纖維由碳纖維及依次附著在其表面的金屬涂層和石墨烯涂層組成。其中碳纖維為T300碳纖維,金屬涂層為金屬鎳涂層,金屬鎳涂層厚度為lOOnm。實(shí)施例2:—種高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維的制備方法,其特征在于包括下步驟來實(shí)現(xiàn):
(1)選用T300的碳纖維,進(jìn)行表面改性處理;
(2)然后利用濺射方法在上述碳纖維表面制備一層金屬鎳涂層;
(3)接著利用化學(xué)氣相沉積在上述金屬鎳涂層上制備石墨烯涂層;
(4)獲得高導(dǎo)電的復(fù)合碳纖維。其中所述步驟(I)中表面改性處理參數(shù)為:溫度350°C,空氣氧化30min。所述步驟(2)中濺射法制備金屬鎳涂層的參數(shù)為:靶材為鎳,濺射功率300W,氬氣流量為20SCCm,濺射氣壓IPa,襯底溫度200°C,濺射時(shí)間20min。所述步驟(3)中化學(xué)氣相沉積制備石墨烯涂層的參數(shù)為:甲烷流量5mL/min,氫氣流量15mL/min,生長(zhǎng)溫度900°C,生長(zhǎng)氣壓lOPa,生長(zhǎng)時(shí)間lOmin,降溫速度30°C/min。
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維,其特征在于: 由碳纖維,及自下而上依次附著在其表面的金屬涂層和石墨烯涂層組成; 所述碳纖維為碳纖維絲、碳纖維束、碳纖維布、碳纖維紙或碳纖維織物; 所述金屬涂層為金屬銅涂層、金屬鎳涂層或金屬銥涂層; 所述金屬涂層厚度為50-500nm。
2.權(quán)利要求1所述高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維的制備方法,其特征在于包括以下步驟: 步驟1、對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理;其中表面改性處理參數(shù)為:溫度300-350°C,空氣氧化 30-150min ;或者 1000_1200。(:,真空處理 30_150min ; 步驟2、然后利用濺射法在上述碳纖維表面制備金屬涂層;具體參數(shù)為:靶材為鎳、銅或者銥,濺射功率150-300W,氬氣流量為20-40SCCm,濺射氣壓0.1-1Pa,襯底溫度200-300。(:,濺射時(shí)間 10-120min ; 步驟3、接著利用化學(xué)氣相沉積法在上述金屬涂層表面制備石墨烯涂層;具體參數(shù)為:甲烷流量5-50mL/min,氫氣流量5_15mL/min,生長(zhǎng)溫度900-1000°C,生長(zhǎng)氣壓10_500Pa,生長(zhǎng)時(shí)間Ι-lOmin,降溫速度30-60°C/min ; 步驟4、獲得高導(dǎo)電的復(fù)合碳纖維。
全文摘要
一種高導(dǎo)電復(fù)合碳纖維及其制備方法,屬于復(fù)合碳纖維及其制備方法。本發(fā)明由碳纖維及自下而上依次附著在其表面的金屬涂層和石墨烯涂層組成;所述碳纖維為碳纖維絲、碳纖維束、碳纖維布、碳纖維紙或碳纖維織物;所述金屬涂層為金屬銅涂層、金屬鎳涂層或金屬銥涂層;所述金屬涂層厚度為50-500nm。利用本發(fā)明制備的復(fù)合碳纖維具有十分優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,能夠?qū)⒗讚裟芰垦杆賯鲗?dǎo)或消散掉,大大提高了碳纖維材料的抗雷擊能力。
文檔編號(hào)B32B1/00GK103144356SQ20131007678
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者李斌斌, 陳照峰, 何建平 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)