[发明专利]改性碳纤维增强复合陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改性碳纤维增强复合陶瓷的制备方法，属于铝电解技术领域。

背景技术

目前，传统铝电解仍采用碳素阳极材料，在电解过程中会释放出大量的温室效应气体，污染环境。而且需要频繁更换阳极材料，增加生产成本。人们从节能和降低生产成本，并消除铝电解对环境造成的污染出发，对铝电解槽设计产生了一些新构思。近三十年来研究者在致力于开发采用惰性电极系统的铝电解技术，其核心就是惰性阳极材料的研究。20世纪80年代后，铝电解惰性阳极材料的研究主要集中在金属阳极、金属氧化物阳极、金属陶瓷阳极上。金属阳极易于制作，具有良好的导电性，因此一直被考虑作铝电解阳极材料。但除某些贵金属外，金属材料不能充分抵御冰晶石熔盐及电解产生的氧气腐蚀。金属氧化物由于化学惰性而备受关注，但较差的导电性和抗热震性又限制了它们的应用。金属陶瓷材料集中了金属材料优良的电子导电性和陶瓷材料的化学惰性，所以一直被认为是作为惰性阳极最有希望的材料，这方面的研究也最多。但在铝电解实验研究中发现，惰性阳极表面会产生大量的O₂气泡，表面形成了气体保护膜，阻止了冰晶石熔盐对惰性阳极的腐蚀及浸透。然而由于大量的O₂气泡和电解液的波动对惰性阳极表面的冲刷，使得金属陶瓷惰性阳极的陶瓷基体在电解过程中出现大面积的开裂及掉渣现象，导致惰性阳极材料的电解腐蚀速率较高。因而如何提高陶瓷基惰性阳极材料的高温力学性能成为了惰性阳极研究的关键。

目前，采用高比强度及高弹性模量的碳纤维作为陶瓷增韧相已经受到了研究者广泛的关注，而碳纤维与陶瓷基体的界面性能决定了纤维引人的效果，并在很大程度上影响复合材料的断裂形式。为此常借助于高温氧化粗化及涂覆金属涂层等表面改性技术来改善碳纤维与陶瓷基体的界面状态。但高温氧化过程极大地降低了碳纤维的原有强度，而金属涂层和陶瓷基体的润湿性不好，导致碳纤维与陶瓷基体界面仍存在较多的空隙，陶瓷基体所受到的应力不能有效传递到碳纤维上，因此陶瓷基体的力学性能不能得到有效的改善。所以，研究一种在碳纤维上包覆氧化物的涂层技术，同时不降低碳纤维原有强度是发展碳纤维增韧陶瓷的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种能满足上述需求、制备的复合陶瓷致密度高、强度大的改性碳纤维增强复合陶瓷的制备方法。其技术方案为：

一种改性碳纤维增强复合陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤：（1）将碳纤维清洗干净后置于浓硝酸中浸泡5~8min，再用去离子水清洗去除表面附着的多余硝酸；（2）将摩尔浓度均为0.01~0.2M的醋酸锌乙醇溶液和NaOH乙醇溶液单独加热至65℃后等摩尔比混合，搅拌1~2h，制成稳定的ZnO溶胶；（3）将碳纤维在ZnO溶胶中浸渍5~10min，取出在100~120℃干燥10~20min，反复浸渍提拉2~3次，在碳纤维上预置ZnO晶种；（4）将摩尔浓度均为1～25mM的锌盐溶液和六次甲基四胺溶液等摩尔倒入烧杯中，混合均匀制成生长液，将预置有ZnO晶种的碳纤维放入生长液再一同置于水浴锅中，在80~90℃保温2~8h，取出反复洗涤，再70~100℃干燥，即可获得在碳纤维上定向生长的ZnO纳米线阵列薄膜，其中锌盐溶液为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌中的任一种；（5）采用NiO和Fe₂O₃为原材料，置于行星磨上湿磨10~20min后形成料浆，将料浆110℃烘干后放入高温电阻炉中1000~1100℃预烧4~6h，得到NiFe₂O₄基陶瓷粉料；（6）取NiFe₂O₄基陶瓷粉料，另加入NiFe₂O₄基陶瓷粉料质量2~5%的改性后的短切碳纤维，碳纤维长度为2~5mm，混合后25~100MPa干压成型，然后放入多功能烧结炉中，在氮气保护下，于1300~1350℃烧结5~8h，得到ZnO纳米线表面改性碳纤维增强镍铁尖晶石复合陶瓷。

所述的一种改性碳纤维增强复合陶瓷的制备方法，步骤（5）中，另加入原材料总质量2~3%的添加剂，与原材料一同置于行星磨上湿磨形成料浆，添加剂为MnO₂、V₂O₅和TiO₂中的一种或任两种的混合。

所述的一种改性碳纤维增强复合陶瓷的制备方法，步骤（5）中，NiO和Fe₂O₃原料按摩尔比1.5:1配料。