本發(fā)明涉及碳陶復(fù)合材料，尤其涉及一種表面陶瓷化的碳納米管纖維、其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)陶瓷基復(fù)合材料以其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和耐磨損性在航空航天、能源及軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)陶瓷材料在高應(yīng)力、復(fù)雜環(huán)境下表現(xiàn)出的脆性以及斷裂韌性不足的問題限制了其進一步應(yīng)用。

2、碳纖維作為目前市場上典型的輕質(zhì)高強纖維，常作為增強相用于熱防護用陶瓷基復(fù)合材料。將碳纖維引入陶瓷基體中，能夠有效提升復(fù)合材料的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，彌補傳統(tǒng)陶瓷材料的不足。然而，傳統(tǒng)高性能瀝青基碳纖維雖然具有高導(dǎo)熱性和高模量的優(yōu)勢，但其自身存在的高脆性問題顯著限制了其在實際工程中的應(yīng)用，這種纖維因脆性較高，極易發(fā)生斷絲現(xiàn)象，從而導(dǎo)致制備工藝復(fù)雜性增加，復(fù)合材料的整體性能也因此受到削弱。同時纖維直徑小，在基體中的分布均勻性較差，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性難以滿足要求。這些不足不僅降低了陶瓷基復(fù)合材料在苛刻環(huán)境中的適用性和穩(wěn)定性，也對其在航空航天、能源等關(guān)鍵領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提出了嚴峻挑戰(zhàn)。因此，如何有效解決傳統(tǒng)瀝青基碳纖維的脆性問題，提升其分布均勻性以及復(fù)合材料的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，已成為當前研究與開發(fā)的重要方向，同時也亟需通過新型纖維設(shè)計、制備工藝優(yōu)化以及界面改性等多方面手段，推動陶瓷基復(fù)合材料的進一步發(fā)展與應(yīng)用。

3、碳納米管具有優(yōu)異的力電熱性能，是已知的最強材料之一，碳納米管纖維由碳納米管組成，其兼具良好的力電熱性能與優(yōu)異的柔韌性，同時因其優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的碳納米管纖維在高溫條件下容易發(fā)生熱解和氧化，限制了其在超高溫熱防護領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，為了提高碳納米管纖維的熱防護性能，通常需要在其表面形成耐高溫的陶瓷層，也就是碳納米管纖維表面的陶瓷化。同時，大直徑的碳納米管纖維的應(yīng)用前景更為廣闊。所以，大直徑碳納米管纖維表面的陶瓷化有利于推進其在高溫環(huán)境中的應(yīng)用。通過深入了解這些該材料的機械性能及防護涂層的作用，可為極端環(huán)境下的應(yīng)用提供更為可靠的解決方案。

4、但目前對于碳納米管與陶瓷的復(fù)合材料的制備的研究仍舊不足。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種表面陶瓷化的碳納米管纖維、其制備方法及應(yīng)用。

2、為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種表面陶瓷化的碳納米管纖維，其包括碳納米管纖維芯以及由內(nèi)至外依次包裹所述碳納米管纖維芯的熱解炭界面層以及陶瓷層；

4、其中所述碳納米管纖維芯由多股原始碳納米管纖維并股結(jié)合形成。

5、第二方面，本發(fā)明還提供一種表面陶瓷化的碳納米管纖維的制備方法，其包括：

6、提供碳納米管纖維芯，所述碳納米管纖維芯由多股原始碳納米管纖維并股結(jié)合形成；

7、在所述碳納米管纖維芯的表面采用化學(xué)氣相沉積的方式沉積形成熱解炭界面層，獲得纖維組合體；

8、使所述纖維組合體與含有陶瓷前驅(qū)體的前驅(qū)液接觸，以使所述前驅(qū)液所述纖維組合體的表面，獲得陶瓷纖維前體；

9、對所述陶瓷纖維前體依次進行熱交聯(lián)處理以及燒結(jié)處理，以使所述陶瓷前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為陶瓷層，獲得表面陶瓷化的碳納米管纖維。

10、第三方面，本發(fā)明還提供上述碳納米管纖維在熱防護領(lǐng)域中的應(yīng)用。

11、基于上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少包括：

12、本發(fā)明提供的表面陶瓷化的碳納米管纖維通過在大直徑的碳納米管纖維表面引入陶瓷化涂層，顯著提升了纖維材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐燒蝕性能；該涂層不僅有效保護了碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)完整性，避免了高溫導(dǎo)致的分解和損傷，同時還保留了纖維優(yōu)異的力學(xué)性能和柔韌性，賦予材料在極端環(huán)境中的卓越適應(yīng)能力。

13、本發(fā)明提供了一種兼具優(yōu)良耐燒蝕性能、高力學(xué)強度與柔韌性的高性能碳納米管纖維材料，滿足航空航天、國防工業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ω邷?、耐燒蝕及柔性材料的苛刻要求，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的產(chǎn)業(yè)化潛力。

14、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更清楚地了解本申請的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合詳細附圖說明如后。

技術(shù)特征：

1.一種表面陶瓷化的碳納米管纖維，其特征在于，包括碳納米管纖維芯以及由內(nèi)至外依次包裹所述碳納米管纖維芯的熱解炭界面層以及陶瓷層；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面陶瓷化的碳納米管纖維，其特征在于，所述碳納米管纖維芯的直徑為50-500?μm，所述熱解炭界面層的厚度為200?nm-1?μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面陶瓷化的碳納米管纖維，其特征在于，所述陶瓷層的材質(zhì)包括碳化硅、碳化鋯硅、二氧化硅、氮化硼、碳化鉿、碳化鋯中的任意一種或兩種以上的組合。

4.一種表面陶瓷化的碳納米管纖維的制備方法，其特征在于，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述熱解炭界面層的沉積溫度為900-1100?℃，時間為1-200?min，氣氛包括碳源、氫氣和保護性氣體；

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述纖維組合體通過浸漬的方式與所述前驅(qū)液接觸，所述前驅(qū)液中的陶瓷前驅(qū)體的濃度為5-60?wt%，浸漬處理的時間為1-3?h。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述熱交聯(lián)處理的溫度為120-220℃，持續(xù)時間為1-5?h。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)處理的升溫速率為1-3?℃/min，燒結(jié)溫度為1100-1500?℃、保溫時間為1-4?h，降溫速率為1-2?℃/min。

10.權(quán)利要求1-3中任意一項所述的碳納米管纖維在熱防護領(lǐng)域中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種表面陶瓷化的碳納米管纖維、其制備方法及應(yīng)用。所述碳納米管纖維包括碳納米管纖維芯以及由內(nèi)至外依次包裹碳納米管纖維芯的熱解炭界面層以及陶瓷層；其中碳納米管纖維芯由多股原始碳納米管纖維并股結(jié)合形成。本發(fā)明提供的表面陶瓷化的碳納米管纖維通過在大直徑的碳納米管纖維表面引入陶瓷化涂層，顯著提升了纖維材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐燒蝕性能；該涂層不僅有效保護了碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)完整性，避免了高溫導(dǎo)致的分解和損傷，同時還保留了纖維優(yōu)異的力學(xué)性能和柔韌性，賦予材料在極端環(huán)境中的卓越適應(yīng)能力，滿足航空航天、國防工業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ω邷亍⒛蜔g及柔性材料的苛刻要求，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的產(chǎn)業(yè)化潛力。

技術(shù)研發(fā)人員：張永毅,張歡,趙黎明,牛宇濤,勇振中,李清文
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15