一种碳纤维毡电热复合材料及其制备方法

本发明涉及电镀，具体涉及一种碳纤维毡电热复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，航空航天、汽车、电子工业等领域的快速发展对电热材料的性能和需求不断增长。碳纤维基复合材料因其轻质、机械性能良好、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点而被广泛研究。然而，常见的碳纤维基复合材料由于电热转换效率较低，限制了它们在高效电加热领域的应用。为了克服这一不足，研究人员进行了大量的研究，期望通过结构设计等方式以改善材料的电热性能。

2、cn 115141001 a公开了一种石墨基电热材料及其制备方法和电热设备。该方法首先将石墨烯插入蠕虫状石墨中得到复合物，然后将碳纤维制品和上述复合物混合，最终得到电热复合材料。此方法原料昂贵、工艺繁琐并且难以确保产品电热性能的一致性。

3、cn 109618427 a公开了一种柔性碳晶电热薄膜的制备方法。首先将短切碳纤维放入稀料中浸泡，随后烘干，球磨24h得到碳晶粉末，在其表面浸渍fe(oh)2溶液，在600℃时通氢气，在800℃，1000℃，1200℃的c2h2和n2气氛中保持20min，制备碳晶复合填料，随后，将其按比例涂覆在传感阵列薄膜上，浇筑电极四周密封而成。该制备方法工艺复杂，能耗高，且高温反应对设备的要求较高。

4、cn 117071013 a公开了一种ni-fe-b合金高温石墨化催化碳纤维，包括：首先将阳极片在0.1mol/l盐酸中除去表面的杂质、氧化膜，用不同目数的砂纸打磨抛光处理，用蒸馏水洗净、冷风吹干、称量备用。去离子水加热到一定温度，依次加入一定量的h3bo3、niso4·6h2o、nicl2·6h2o、feso4·7h2o，通过磁力搅拌器搅拌溶解得到母液。该发明通过电沉积法将过渡金属ni、fe和b均匀地负载到碳纤维表面，在高温下，b作为催化剂，取代六角碳环中的碳原子，或嵌入石墨层的间隙位置，催化石墨碳的连续生长，而ni、fe以第viii族元素通过碳溶解-沉淀机制催化石墨化，三者之间具有良好的协同催化作用，在1500℃下可以加速碳纤维均匀石墨化，石墨化度可达到97.5％。但是该方法将金属均匀负载在碳纤维表面，难以发挥不同界面以及金属粒子尺寸对提升材料电热性能的优势，且该制备方法能耗较高。

技术实现思路

1、本发明目的在于，针对目前电热材料领域中制备工艺复杂、原料成本较高的问题，提供一种电热复合材料及其制备方法。该复合材料设计考虑了结构与性能的协同优化，旨在实现驱动电压低、升温速率快、表面饱和温度高、加热均匀的电热功能。该材料的制备过程简便，使用的原料广泛且成本低廉，在保证性能的同时降低了生产成本，有助于大规模工业化生产。本发明提供了以下技术方案解决上述技术问题：

2、一种碳纤维毡电热复合材料，以碳纤维毡为骨架，在其表面电镀形成金属壳层，金属壳层具有两层结构；内层是镍层，外层是铁镍合金层。

3、进一步地，铁镍合金层中铁镍质量比为0.5～2：1。

4、本发明的金属壳层采用两层结构，铁镍合金层的热导率略低于纯镍层，两层金属之间的热传导性能不同，使得热量更容易聚集在铁镍合金层，而使得外层更容易升温；同时，两层金属之间的界面间存在电荷积累、热扩散等效应，会导致更高的能量耗散，从而使得外层更容易升温。碳纤维表面镀镍可明显改善其导电性能，但不能赋予碳纤维磁性，铁镍合金是一种在弱磁场中具有高磁导率和低矫顽力的低频软磁材料。

5、进一步地，所述碳纤维毡的克重为3～70g/m2；优选50～70g/m2。

6、进一步地，镍含量在金属壳层中由内部向外部逐渐降低，壳层内部由镍粒子组成，外部由铁镍合金粒子组成。

7、进一步地，所述金属壳层是由金属粒子构成；金属粒子尺寸在20～500nm；金属粒子的尺寸在壳层内部的300～500nm逐渐减小至外部的20～150nm。

8、本发明提供的碳纤维毡电热复合材料制备过程中，通过在电镀过程中添加不同类型的电镀液和改变电流密度的方法制备。

9、本发明还提供了所述碳纤维毡电热复合材料，包括以下步骤：

10、(1)取四水合氨基磺酸镍、六水合氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，溶解在水中，得到电镀液s1；

11、(2)称七水合硫酸镍、七水合硫酸亚铁、硼酸、氯化钠、柠檬酸钠、葡萄糖、糖精、be光亮剂、十二烷基硫酸钠，溶解在水中，得到电镀液s2；

12、(3)将镍板作为阳极、碳纤维毡作为阴极，置于电镀液s1中，进行电镀；

13、(4)向电镀液s1中加入电镀液s2，在一定电流密度下进行电镀，将样品从电镀槽中取出，用去离子水彻底冲洗，50℃干燥得到电热复合材料。

14、进一步地，步骤(1)中，电镀溶液s1由以下质量份数的组分组成：150～300份的四水合氨基磺酸镍，15～30份的六水合氯化镍，20～40份的硼酸，0.05～0.1份的十二烷基硫酸钠，500～1000份的去离子水。

15、氨基磺酸镍所获得的淀积层的内应力低、硬度高，且具有极为优越的延展性。硫酸镍电镀易活化，成本相对低。电镀液s1采用氨基磺酸镍和氯化镍的复配，可以得到具有优异性能的产品。

16、进一步地，步骤(2)中，电镀溶液s2由以下质量份数的组分组成：100～200份的七水合硫酸镍，100～200份的七水合硫酸亚铁，20～40份的硼酸，10～20份的氯化钠，5～10份的柠檬酸钠，5～10份的葡萄糖，2～4份的糖精，0.3～0.6份的be光亮剂，0.05～0.1份的十二烷基硫酸钠，500～1000份的去离子水。

17、进一步地，步骤(3)中，电流密度为1.5～3.0a/dm2。

18、进一步地，步骤(4)中，电流密度为0.1～1.0a/dm2。

19、进行电镀时，步骤(4)的电流密度比步骤(3)小，可以获得尺寸较小的金属粒子。

20、进一步地，步骤(3)和(4)中，电镀时间为1～60min，优选为30～40min。

21、本发明的有益效果

22、本发明所提供的碳纤维毡电热复合材料通过电镀工艺制备而成，使用的原料广泛且成本低廉，制备流程简单，工艺稳定，可重复性强，便于大规模工业化生产。通过宏观连续的碳纤维毡、独特的核壳结构和金属组分、粒子的空间分布的协同作用，赋予复合材料优异的电热性能。当施加电压时，壳层内的金属颗粒经历电阻加热，产生局部热能。壳层由内层镍层和外层铁镍合金层构成，外层较低的热传导性能使得热量更容易聚集在铁镍合金层，同时，两层界面间存在电荷积累、热扩散等效应，会导致更高的能量耗散，从而使得外层更容易升温。金属粒子尺寸从内向外依次减小，外层金属粒子的表面积相对增大，增加了与周围环境的接触面积，提高了与周围介质(如空气或液体)的热交换效率；同时，大的比表面积会导致电子和热量的散射，增加了能量耗散和热交换行为，进一步提高电热效果。使用补加不同的电镀液，同时调整电镀电流的工艺，可以使金属包覆层和碳纤维毡间，两种金属包覆层间形成牢固的界面结合，有利于金属层和碳纤维毡之间的有效传热，防止热障和热损失，从而实现驱动电压低和升温快的特点。此外，碳纤维毡的宏观连续性和金属包覆层的连续互通性使热量能够在整个复合材料中快速有效地传播，确保了均匀热传导，从而实现均匀加热。本发明提供的电热复合材料具有驱动电压低、升温速率快、表面饱和温度高、加热均匀的优点，可以广泛应用于防寒保温、除霜除冰、电热加热以及医用保健等多个领域。从而实现快速和均匀的加热。