碳納米管碳化硅復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種碳納米管碳化硅復合材料及其制備方法，包括如下步驟：(1)將碳納米管宏觀聚集體在真空條件下浸漬于先驅體浸漬液，得到負載先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體，其中先驅體浸漬液包括有機硅聚合物和有機溶劑；(2)將負載先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體在保護氣體氛圍下裂解，得到碳納米管碳化硅初步復合材料；(3)將所述碳納米管碳化硅初步復合材料替換碳納米管宏觀聚集體，再按照步驟(1)和步驟(2)重復進行一次或多次，得到碳納米管碳化硅復合材料。制得的碳納米管碳化硅復合材料在保證導電性能的同時，其力學性能、高溫穩定性能及抗氧化性能得到較大提升，其中拉伸強度和楊氏彈性模量分別提高1.6倍和1.5倍以上。

Carbon nanotube silicon carbide composite material and preparation method thereof

The invention relates to a carbon nanotube silicon carbide composite material and a preparation method thereof, comprising the following steps: (1) the macroscopic carbon nanotube aggregates under vacuum impregnation in precursor impregnation liquid, carbon nanotubes macro aggregates load precursor impregnation liquid, wherein the first precursor impregnation solution including silicone polymer and organic solvent; (2) macroscopic carbon nanotube aggregates will load precursor impregnation liquid in a protective atmosphere pyrolysis, carbon nanotubes and silicon carbide preliminary composite material; (3) the carbon nanotube composite material to replace silicon carbide preliminary macroscopic carbon nanotube aggregates, then follow the steps (1) and step (2) repeated one or more times carbon nanotubes, silicon carbide composite material. Carbon nanotube silicon carbide composites prepared in the conductive performance, mechanical properties, high temperature stability and oxidation resistance is greatly improved, the tensile strength and elastic modulus are increased by 1.6 times and 1.5 times.

【技術實現步驟摘要】
碳納米管碳化硅復合材料及其制備方法
本專利技術涉及復合材料制備
，特別是涉及一種碳納米管碳化硅復合材料及其制備方法。
技術介紹
碳納米管自1991年被發現以來，因其優異的力學性能、電學特性、極高的熱導率、良好的熱穩定性和化學穩定性等特點，在納米結構及功能復合材料、場效應晶體管、透明電極、鋰離子電池、超級電容器等諸多領域中具有廣闊的應用前景。然而單根碳納米管存在分離成本高、結構難以精確控制等缺點，難以實現大規模應用。為了在宏觀尺度上充分發揮和利用碳納米管的優異性能，一個有效的解決途徑是采用以單根碳納米管為構筑單元、通過一定方法組裝成的具有一定空間結構特征的碳納米管宏觀聚集體材料，如一維碳納米管纖維、二維碳納米管薄膜以及三維碳納米管陣列等。碳納米管宏觀聚集體由于其獨特的結構特征被賦予了一些新的功能特性，并展示出巨大的應用前景。但是，如何使碳納米管宏觀聚集體保持單根碳納米管優異的力電性能仍然是一個很大的挑戰。這是因為在取向碳納米管材料中碳納米管末端的數量巨大，碳納米管的取向難以精確控制，且碳納米管之間的結合力較弱，因此已報道的取向碳納米管材料的拉伸強度最大只有幾個GPa。現有文獻報道了采用熱壓致密，溶劑致密，聚合物樹脂滲透等方式來提高碳納米管宏觀聚集體中碳納米管之間的界面結合強度，從而同時提高取向碳納米管材料的力電性能。碳納米管本身在2000℃仍能保持很好的熱穩定性能，引入耐熱性能較差的溶劑或樹脂，反而嚴重降低取向碳納米管材料的熱力性能。已有文獻報道了將碳納米管粉末混合到陶瓷基體中以制備復合材料，然而由于碳納米管粉末在基體中難以得到充分分散，因此制得的復合材料，其力電性能遠遠低于理論預測值。中國專利CN103061112B公開了一種碳化硅和碳納米管的復合材料及其制備方法，其是以碳納米管宏觀體為預制體，采用化學氣相沉積法熱解含硅前驅體，將碳化硅沉積于碳納米管，制備出碳納米管和碳化硅的復合材料。該文獻采用電加熱沉積裝置對預制體通電加熱，將三氯甲基硅烷通入載氣中得到復合材料，這種制備方法的效率較低，生產周期長，制備成本高，對設備的要求較高，難以進行工業化大規模生產。
技術實現思路
基于此，有必要提供一種能保證導電性能同時提高拉伸強度和楊氏彈性模量的碳納米管碳化硅復合材料及其制備方法。一種碳納米管碳化硅復合材料的制備方法，包括如下步驟：(1)將碳納米管宏觀聚集體在真空條件下浸漬于先驅體浸漬液，得到負載所述先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體，其中所述先驅體浸漬液包括有機硅聚合物和有機溶劑；(2)將負載所述先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體在保護氣體氛圍下裂解，得到碳納米管碳化硅初步復合材料；(3)將所述碳納米管碳化硅初步復合材料替換所述碳納米管宏觀聚集體，再按照步驟(1)和步驟(2)重復進行一次或多次，得到碳納米管碳化硅復合材料。上述碳納米管碳化硅復合材料的制備方法，工藝簡單、制備方法成本低、制備條件易于控制，得到的碳納米管碳化硅復合材料質量穩定，適合批量化和規模性生產。制得的碳納米管碳化硅復合材料與純碳納米管宏觀聚集體相比，在保證導電性能的同時，其力學性能、高溫穩定性能及抗氧化性能得到較大提升，其中拉伸強度和楊氏彈性模量分別提高1.6倍和1.5倍以上。在其中一個實施例中，所述碳納米管宏觀聚集體為碳納米管纖維、碳納米管薄膜以及碳納米管陣列中的至少一種。在其中一個實施例中，所述碳納米管纖維的直徑為5～200μm，密度為0.3～0.5g·cm-3，電導率為5×104～2×105S·m-1，拉伸強度為200～2000MPa，楊氏彈性模量為4～100GPa，斷裂延伸率為2％～25％。在其中一個實施例中，所述碳納米管薄膜的厚度為5～15μm，電導率為0.4×105～3×105S·m-1，拉伸強度為30～100MPa，楊氏彈性模量為0.5～5GPa，孔隙度體積為0.5～1.0ml·g-1。在其中一個實施例中，所述碳納米管陣列的高度為10～1000μm，密度不大于0.3g·cm-3，比表面積為20m2·g-1，電導率為103S·m-1。在其中一個實施例中，所述有機硅聚合物為聚碳硅烷、聚甲基硅烷、聚鋁碳硅烷、聚鋯碳硅烷和聚鈦碳硅烷中的至少一種。在其中一個實施例中，所述有機溶劑為二甲苯、甲苯、二乙烯苯及正己烷中的至少一種，所述有機硅聚合物與所述有機溶劑的質量比為1:5～10。在其中一個實施例中，所述步驟(1)中的浸漬時間為2～8h。在其中一個實施例中，所述步驟(2)中裂解的條件為于800～1200℃煅燒1～2h。一種碳納米管碳化硅復合材料，采用上述碳納米管碳化硅復合材料的制備方法制得。制得的碳納米管碳化硅復合材料與純碳納米管宏觀聚集體相比，在保證導電性能的同時，其力學性能、高溫穩定性能及抗氧化性能得到較大提升，其中拉伸強度和楊氏彈性模量分別提高1.6倍和1.5倍以上。附圖說明圖1為實施例1制得的碳納米管碳化硅復合纖維的截面形貌圖和C和Si元素的分布圖，其中a為截面形貌圖，b和c分別為C和Si元素的分布圖；圖2為實施例1制得的碳納米管碳化硅復合纖維與碳納米管纖維的表面形貌圖，其中a和b分別為碳納米管纖維和碳納米管碳化硅復合纖維的表面形貌圖；圖3為實施例1制得的碳納米管碳化硅復合纖維與碳納米管纖維的拉伸應力-應變曲線，其中a和b分別為碳納米管碳化硅復合纖維與碳納米管纖維的拉伸應力-應變曲線；圖4為實施例2制得的碳納米管碳化硅復合薄膜與碳納米管薄膜的表面形貌圖，其中a和b分別為碳納米管薄膜和碳納米管碳化硅復合薄膜的表面形貌圖；圖5為實施例2制得的碳納米管碳化硅復合薄膜與碳納米管薄膜的拉伸應力-應變曲線，其中a和b分別為碳納米管碳化硅復合薄膜與碳納米管薄膜的拉伸應力-應變曲線。具體實施方式為了便于理解本專利技術，下面將參照相關附圖對本專利技術進行更全面的描述。附圖中給出了本專利技術的較佳的實施例。但是，本專利技術可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本專利技術的公開內容的理解更加透徹全面。本專利技術提供了一種碳納米管碳化硅復合材料的制備方法，包括如下步驟。步驟(1)、將碳納米管宏觀聚集體在真空條件下浸漬于先驅體浸漬液，得到負載先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體，其中先驅體浸漬液包括有機硅聚合物和有機溶劑。其中，碳納米管宏觀聚集體為碳納米管纖維、碳納米管薄膜以及碳納米管陣列中的至少一種。碳納米管宏觀聚集體包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管中的至少一種。優選的，碳納米管纖維的直徑為5～200μm，密度為0.3～0.5g·cm-3，電導率為5×104～2×105S·m-1，拉伸強度為200～2000MPa，楊氏彈性模量為4～100GPa，斷裂延伸率為2％～25％。更優選的，碳納米管纖維的直徑為104.6μm，密度為0.4g·cm-3，電導率為1.4×105S·m-1，拉伸強度為279.6MPa，楊氏彈性模量為7.2GPa，斷裂延伸率為11.5％。優選的，碳納米管薄膜的厚度為5～15μm，電導率為0.4×105～3×105S·m-1，拉伸強度為30～100MPa，楊氏彈性模量為0.5～5GPa，孔隙度體積為0.5～1.0ml·g-1。更優選的，碳納米管薄膜的厚度為8μm，電導率為0.46×105S·m-1，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳納米管碳化硅復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)將碳納米管宏觀聚集體在真空條件下浸漬于先驅體浸漬液，得到負載所述先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體，其中所述先驅體浸漬液包括有機硅聚合物和有機溶劑；(2)將負載所述先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體在保護氣體氛圍下裂解，得到碳納米管碳化硅初步復合材料；(3)將所述碳納米管碳化硅初步復合材料替換所述碳納米管宏觀聚集體，再按照步驟(1)和步驟(2)重復進行一次或多次，得到碳納米管碳化硅復合材料。

【技術特征摘要】
1.一種碳納米管碳化硅復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)將碳納米管宏觀聚集體在真空條件下浸漬于先驅體浸漬液，得到負載所述先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體，其中所述先驅體浸漬液包括有機硅聚合物和有機溶劑；(2)將負載所述先驅體浸漬液的碳納米管宏觀聚集體在保護氣體氛圍下裂解，得到碳納米管碳化硅初步復合材料；(3)將所述碳納米管碳化硅初步復合材料替換所述碳納米管宏觀聚集體，再按照步驟(1)和步驟(2)重復進行一次或多次，得到碳納米管碳化硅復合材料。2.如權利要求1所述的碳納米管碳化硅復合材料的制備方法，其特征在于，所述碳納米管宏觀聚集體為碳納米管纖維、碳納米管薄膜以及碳納米管陣列中的至少一種。3.如權利要求2所述的碳納米管碳化硅復合材料的制備方法，其特征在于，所述碳納米管纖維的直徑為5～200μm，密度為0.3～0.5g·cm-3，電導率為5×104～2×105S·m-1，拉伸強度為200～2000MPa，楊氏彈性模量為4～100GPa，斷裂延伸率為2％～25％。4.如權利要求2所述的碳納米管碳化硅復合材料的制備方法，其特征在于，所述碳納米管薄膜的厚度為5～15μm，電導率為0.4×105...

【專利技術屬性】
技術研發人員：祖梅，劉海韜，張曉山，楊玲偉，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43