一种ZnMn2O4纳米球表面改性碳纤维及其制备方法与应用

本发明属于碳纤维表面改性，具体涉及一种znmn2o4纳米球表面改性碳纤维及其制备方法与应用。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、碳纤维增强树脂基复合材料在机械工业上主要用于承载零件(如连杆)、耐磨零件(轴承、密封圈、活塞、衬垫板)、耐腐蚀零件(化工泵、高压泵、液压系统的动力密封装置和管道、容器)等，在火箭、导弹的鼻锥体，火箭的喷嘴以及人造卫星支架等方面也有应用。

3、在复合材料中，碳纤维增强体是主要的承重组分，树脂基体是载荷传递的介质，界面是保证载荷在增强体和基体之间的连续传播。因此，界面往往是决定复合材料整体性能的关键因素，所以通过对碳纤维进行表面改性来改善复合材料的界面结合并开发其他功能性应用。

4、人工智能和新能源汽车等先进技术将导致半导体器件的高集成度、高功率密度和高频率。目前，电磁辐射和发热是高集成度、高频、大功率电子产品应用的瓶颈。有限空间内的复杂电磁干扰和积聚的热量会导致电子元件之间的严重干扰，影响设备的可靠性和使用寿命，对人体健康造成严重影响。而目前碳纤维树脂复合材料的电磁屏蔽性能和导热性能还无法满足要求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种znmn2o4纳米球表面改性碳纤维及其制备方法与应用。通过原位生长znmn2o4纳米球使碳纤维表面粗糙度增加，表面润湿性和活性提高，有利于树脂的浸润并与树脂形成机械互锁，从而提高碳纤维与树脂间的界面结合。由于在碳纤维表面生长znmn2o4纳米球，使得其在基体中提供了有效的电子和声子传输，从而使复合材料获得了更高的导热性能。此外，由于多层结构以及良好的界面极化损耗和导电损耗的协同效应，复合材料的电磁屏蔽性能得到了提高。这种结构-功能一体化复合材料不仅可以用作航空航天应用中的结构材料(良好的力学性能，界面性能是力学性能的基础)，还可以用作半导体和人工智能行业中的高性能双功能材料。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：

4、将碳纤维脱浆后活化处理，得活化碳纤维；

5、将活化碳纤维浸渍于锌源、锰源、nh4hco3和乙二醇的混合前驱体溶液中进行水热反应，原位生长znmn2o4纳米球；

6、将生长有znmn2o4纳米球的碳纤维清洗、干燥，即得。

7、乙二醇是溶剂；碳酸氢铵是为了提供碱性环境。

8、在一些实施例中，所述锌源为zn(ch3coo)2；

9、所述锰源为mn(ch3coo)2。

10、优选的，前驱体溶液中，zn(ch3coo)2的质量分数为0.05％～0.3％；mn(ch3coo)2的质量分数为0.1％～0.6％，zn(ch3coo)2与mn(ch3coo)2的质量比为1:1.9～2.1。

11、优选的，前驱体溶液中，nh4hco3的质量分数为0.5％～3％。

12、进一步优选的，zn(ch3coo)2与nh4hco3的质量比为1:9.9～10.1。

13、优选的，活化碳纤维与zn(ch3coo)2的质量比为33:2～10。

14、在一些实施例中，水热反应的温度为180～230℃，保温时间为10～15h。

15、脱浆过程具体为：将碳纤维于氮气氛围下加热至400-500℃，保温1-3h，降低至室温后将碳纤维用去离子水洗涤并干燥。

16、活化过程具体为：将脱浆碳纤维置于质量分数为30％的h2o2溶液中，85-95℃保温1-2h，保温后将碳纤维用去离子水洗涤并干燥。

17、第二方面，本发明提供一种znmn2o4纳米球表面改性碳纤维，由所述制备方法制备而成。

18、第三方面，本发明提供所述znmn2o4纳米球表面改性碳纤维在制备航空航天装备、半导体和人工智能装备中的应用。

19、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

20、(1)本发明提供一种在碳纤维表面生长znmn2o4纳米球的方法，znmn2o4纳米球在碳纤维表面均匀分布，呈现具有大比表面积的三维结构，能使碳纤维表面粗糙度增加，表面活性提高，有利于树脂的浸润并与树脂形成机械互锁，从而提高碳纤维与树脂间的界面结合。

21、(2)本发明提供一种在碳纤维表面生长znmn2o4纳米球的方法，使得其在基体中提供了有效的电子和声子传输，从而使复合材料获得了更高的导热性能。

22、(3)本发明提供一种在碳纤维表面生长znmn2o4纳米球的方法，由于优化的界面结合和多层结构，以及良好的界面极化损耗和导电损耗的协同作用，复合材料的电磁屏蔽性能也得到了提高。

23、(4)本发明采用水热法原位生长纳米材料，相较于浸渍涂覆的方法，纳米材料与碳纤维结合更牢固，并且分布更均匀；相较于气相沉积方法，不会损伤碳纤维，保存了碳纤维原有的力学性能。

24、(5)本发明制备方法简单、操作性强、成本低。

技术特征：

1.一种znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，其特征在于：所述锌源为zn(ch3coo)2。

3.根据权利要求2所述的znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，其特征在于：所述锰源为mn(ch3coo)2。

4.根据权利要求3所述的znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，其特征在于：前驱体溶液中，zn(ch3coo)2的质量分数为0.05％～0.3％；mn(ch3coo)2的质量分数为0.1％～0.6％，zn(ch3coo)2与mn(ch3coo)2的质量比为1:1.9～2.1。

5.根据权利要求1所述的znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，其特征在于：前驱体溶液中，nh4hco3的质量分数为0.5％～3％。

6.根据权利要求2所述的znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，其特征在于：zn(ch3coo)2与nh4hco3的质量比为1:9.9～10.1。

7.根据权利要求2所述的znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，其特征在于：活化碳纤维与zn(ch3coo)2的质量比为33:2～10。

8.根据权利要求1所述的znmn2o4纳米球表面改性碳纤维的制备方法，其特征在于：水热反应的温度为180～230℃，保温时间为10～15h。

9.一种znmn2o4纳米球表面改性碳纤维，其特征在于：由权利要求1-8任一所述制备方法制备而成。

10.权利要求9所述znmn2o4纳米球表面改性碳纤维在制备航空航天装备、半导体和人工智能装备中的应用。

技术总结本发明公开了一种ZnMn<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米球表面改性碳纤维及其制备方法与应用，制备方法，包括如下步骤：将碳纤维脱浆后活化处理，得活化碳纤维；将活化碳纤维浸渍于锌源、锰源、NH<subgt;4</subgt;HCO<subgt;3</subgt;和乙二醇的混合前驱体溶液中进行水热反应，原位生长ZnMn<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米球；将生长有ZnMn<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米球的碳纤维清洗、干燥，即得。这种结构‑功能一体化复合材料不仅可以用作航空航天应用中的结构材料，还可以用作半导体和人工智能行业中的高性能双功能材料。技术研发人员：朱波,周嘉琪,乔琨,王宝铭,赵薇受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5