在高性能材料领域，碳纤维因其优异的机械性能广泛应用于航空航天和热保护系统。然而，碳纤维在氧气环境中极易氧化，限制了其使用范围。最近，一项研究利用原子层沉积（ALD）技术，成功在碳纤维表面沉积了氧化铝（Al₂O₃）涂层，显著提升了其抗氧化性能 。

【研究亮点】ALD技术提升抗氧化性能研究团队通过三甲基铝（TMA）和水（H₂O）的交替暴露，在碳纤维表面均匀沉积了Al₂O₃涂层。这种涂层将碳纤维的氧化起始温度从500°C提升至700°C，显著增强了其抗氧化能力 。均匀涂层覆盖扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析表明，Al₂O₃涂层均匀覆盖了碳纤维的整个表面，甚至在多孔碳纤维网络的内部也实现了均匀沉积。质量增益模型验证研究团队开发了质量增益模型，预测了每个ALD循环中Al₂O₃涂层的质量增益，实验结果与模型预测高度吻合，证明了涂层的均匀性和完整性 。热重分析（TGA）验证热重分析（TGA）显示，Al₂O₃涂层将碳纤维的氧化速率降低了30%，并且该氧化速率与涂层的厚度无关，表明氧化过程受氧气扩散和二氧化碳扩散的限制 。

【技术原理】ALD沉积过程ALD通过交替暴露TMA和H₂O，在碳纤维表面进行自限性反应，生成均匀的Al₂O₃薄膜。每个ALD循环包括TMA吸附和H₂O反应两个步骤，确保薄膜的均匀性和一致性 。表面功能化由于碳纤维表面的化学惰性，研究团队先通过二氧化氮（NO₂）和TMA的交替暴露，对碳纤维表面进行功能化处理，生成一层粘结层，促进Al₂O₃的均匀成核 。

【实验结果】涂层均匀性SEM和EDS分析显示，Al₂O₃涂层均匀覆盖了碳纤维的整个表面，甚至在多孔碳纤维网络的内部也实现了均匀沉积。涂层厚度随着ALD循环次数的增加而线性增加 。抗氧化性能提升TGA结果表明，Al₂O₃涂层将碳纤维的氧化起始温度从500°C提升至700°C，并且氧化速率降低了30%。氧化后的碳纤维被完全去除，留下了一层白色的Al₂O₃骨架，保留了原有的形状。氧化机制研究氧化过程中，氧气通过Al₂O₃骨架向内扩散，二氧化碳向外扩散，形成了边界层。这种扩散机制使得氧化速率与涂层厚度无关 。

【应用前景】

这项技术为碳纤维材料的抗氧化性能提供了新的解决方案，未来可应用于以下领域：

航空航天提升热保护系统（TPS）材料在高温氧化环境中的性能。汽车工业用于制造高性能刹车片和复合材料。能源领域优化燃料电池和催化剂的耐久性。【结语】

通过原子层沉积（ALD）技术，研究团队成功在碳纤维表面沉积了均匀的Al₂O₃涂层，显著提升了其抗氧化性能。这项技术不仅为碳纤维材料的应用提供了新思路，还为未来高性能材料的开发开辟了新的可能性！

文章来源：原子层刻蚀ALE

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