各向同性纺丝沥青及其碳纤维的制备与应用研究进展

现代科技的发展对碳纤维提出了高性能和低成本的要求。与聚丙烯腈基和中间相沥青基碳纤维相比,各向同性沥青基碳纤维在生产成本上具备明显优势,但其力学性能相对较低。厘清各向同性沥青及其制备工艺、微观结构和力学性能之间的关联关系,大幅度提升其力学性能,是进一步拓展其工业应用的必由之路。首先系统评述了各向同性沥青的合成、纺丝、预氧化及碳化工艺,分析了工艺参数对碳纤维结构和力学性能的影响,指明了提升碳纤维力学性能的关键因素和控制策略。然后介绍了各向同性沥青基碳纤维主要的应用领域。最后提出了高性能各向同性沥青基碳纤维生产过程中面临的挑战以及今后的研究方向。

软/硬炭的特性、结构、制备及应用

近年来,节能环保、智能制造和绿色低碳等行业持续发展壮大,伴随国家“十四五”政策逐步落实,炭材料起到了举足轻重和不可替代的作用。软/硬炭作为和石墨、石墨烯、纳米炭同等重要的一种炭材料,引起了科学界和产业界的广泛关注,目前在新能源、新技术和生态环境等领域的开发和应用方兴未艾。首先介绍了软/硬炭的重要性、研究热度及其专业术语的历史发展,并对其结构特性和经典结构模型进行了系统梳理;然后围绕软/硬炭的制备方法 (气相、液相和固相炭化)及控制手段(包括碳质原料的合理选取)、微晶结构调控措施、高温衍变规律及相互转化进行了全面概括;简要概述软/硬炭在传统领域应用的同时,重点介绍了其在能源存储与转化、先进催化材料和高效吸附环保等新兴领域的应用;最后对软/硬炭的研发前景和发展趋势进行了总结和展望,为设计和开发低成本生产、精细结构及优异性能调控、高附加值和高端领域应用的软/硬炭提供了一个全面视角。

碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响

用浇铸成型法制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料,研究了其力学性能,并探讨了该材料的微观结构与性能之间的关系.结果表明,碳纳米管对环氧树脂具有明显增强增韧作用.在碳纳米管加入量为3.0%(质量分数)时,复合材料的综合性能较好,拉伸强度、拉伸模量及断裂伸长率较纯树脂分别提高了90%～100%、60%～70%、150%～200%.

沥青基高取向带状炭纤维的制备及表征

以萘系中间相沥青为原料,通过熔融纺丝、氧化稳定化、炭化和石墨化处理制得了表面光洁平整的高取向带状纤维,采用红外光谱仪、元素分析仪、X射线衍射仪、拉曼光谱、扫描电子显微镜和偏光显微镜对带状纤维的组成、形貌和微观结构进行了表征.研究结果表明:带状沥青纤维氧化稳定化过程中生成的羧基、羰基、醚等含氧官能团在随后炭化处理过程中消失;带状沥青纤维截面的平均宽度和厚度约为1.6mm和18μm,经炭化和石墨化处理后收缩至1.2mm和9μm;随热处理温度的升高,带状炭纤维(002)晶面的衍射峰逐渐变强,其晶体尺寸逐渐变大;与炭化处理纤维相比,石墨化纤维晶体结构更加完整,沿纤维主表面的取向程度更高.

高导热石墨膜的制备及表征

将不同厚度杜邦聚酰亚胺(PI)薄膜进行压制炭化、石墨化处理得到PI石墨膜。采用扫描电镜、X射线衍射、、拉曼光谱等测试手段分析了PI薄在高温热处理过程中的结构演变。研究结果表明,50μm厚PI膜经3 000℃高温石墨化后能形成三维有序堆积的石墨层状结构和较为完整的石墨晶体,其石墨片层间距为0.336nm,层片堆积高度达到65.94nm,石墨化度高达93%,室温面向电阻率为0.48μ!·m,实测面向热导率达到了994 W/(m·K)。随着热处理温度的提高,PI膜微晶由无定型向有序类石墨结构转变,其结晶度和层片取向程度提高,石墨晶体逐渐完善。PI膜厚度越大,其类石墨晶体生长发育越困难,层片择优取向程度越低。

高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构分析

中间相沥青基炭纤维具有低电阻、高导热特性,是目前最具发展前景的功能型导热、散热材料,但是国内对其微观结构和性能的研究报道较少。对国外高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构和形貌进行了分析,同时将实验室研发的不同截面形状中间相沥青基炭纤维进行比较。研究结果表明中间相沥青基炭纤维具有的高导热特性源于其内部三维有序堆积的类石墨层状结构和较为完整生长的石墨晶体。热处理温度越高,其类石墨晶体生长越完善,层片取向程度越高。与圆形截面辐射状结构中间相沥青炭纤维相比,带状截面炭纤维有效解决了劈裂问题,其石墨片层间距为0.337nm,层片堆积高度达到26.77nm,轴向热导率高于800W/(m.K)。

中间相沥青的应用研究进展

中间相沥青是制备多种高级炭材料的优质原料,在高新材料领域引起了广泛关注。介绍了中间相沥青的基本性质以及国内外以中间相沥青为原料制备沥青基炭纤维、泡沫炭、多孔炭、电极材料等新型炭材料的研究现状,展望了中间相沥青的应用前景。

氮化硼掺杂石墨材料的抗氧化性能研究

以超细人造石墨粉和六方氮化硼(BN)粉为原料,SC煤沥青为粘接剂,采用热压成型法制备了BN掺杂石墨材料。研究了不同BN含量掺杂石墨材料在中温(600℃)和高温(900℃、1000℃)时的氧化失重行为,并对掺杂石墨材料氧化前后的微观形貌和结构进行了分析。结果表明,纯石墨材料的抗氧化性能较差,掺杂BN后其抗氧化性能得到明显提高,氧化失重大大降低,原因是BN在高温下氧化生成了晶态和玻璃态的氧化硼抗氧化保护膜。

高定向石墨块的控制制备及其导热性能影响因素研究

以廉价易得的高结晶度天然鳞片石墨(NG)和中间相沥青为原料,采用中温热模压一次成型再高温炭化、石墨化处理可以制备高密度、高定向、高导热石墨块体材料。XRD、SEM和PLM分析表明该石墨块具有高度择优取向结构,其内部石墨片垂直热压方向有序堆积排列。原料中鳞片石墨和沥青粘结剂的组成和配比以及制备工艺参数等对所制石墨材料的面向导热性能有显著影响。采用86wt%+32目鳞片石墨和14wt%AR中间相沥青在500℃、10 MPa下热模压成型的炭块经1000℃炭化、2800℃石墨化后样品的热物理综合性能较好,其体积密度达到1.91 g/m3以上,室温面向热导率为550 W/(m·K),3000℃石墨化室温面向热导率高达620 W/(m·K)。

用SEM和FESEM研究碳纳米管/环氧树脂复合材料的拉伸断面

本文以碳纳米管/环氧树脂复合材料的拉伸断面为研究对象,采用扫描电子显微镜(SEM)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)对其进行观察,分析了碳纳米管在环氧树脂基体中的分散状态,同时考察了碳纳米管用量、类型及溶剂对复合材料断面微观形貌的影响。

碳化硅纳米线的制备及表征

以化学气相沉积法制备的纳米碳管粗产物和各向同性煤沥青为原料,采用热压成型工艺制备了纳米碳管/沥青复合材料,复合材料经1600℃高温热处理产物中生成了纤维状碳化硅（SiC）纳米线。扫描和透射电子显微分析表明所制备的SiC纳米线表面较为光洁,长度约为几个微米,直径约为30~80nm。二次电子像及其能谱分析表明原料中的金属镍颗粒和纳米碳管对SiC纳米线的生长具有重要作用。

用SEM-EDS研究包覆金属镍粒子的碳纳米管在环氧树脂中的分散性

以催化气相沉积法合成的包覆金属镍粒子的碳纳米管为填料,采用超声振荡-溶剂挥发工艺制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料,并利用扫描电镜(SEM)对碳纳米管/环氧树脂复合材料的拉伸断面进行观察,结合X射线能谱仪(EDS)研究了碳纳米管在环氧树脂中的分散情况,同时初步探讨了碳纳米管对环氧树脂的增强增韧机理。

碳包覆粒子的制备与表征

通过热处理在多壁纳米碳管上负载2种金属氧化物颗粒,以其为催化剂,用化学气相沉积法制备碳包覆金属粒子,并利用XRD、TEM、FESEM和EDS对催化剂和产物的物相组成、形貌和结构进行表征。结果表明,金属氧化物颗粒均匀地负载于纳米碳管的管壁上,所制备的碳包覆金属粒子粒径较为均匀,具有明显的核-壳结构。

部分还原氧化石墨烯／二氧化钛复合材料的水热合成及其光催化活性

采用水热法以Hummers氧化法制备的氧化石墨和钛酸四丁酯为原料制备了部分还原的氧化石墨烯/二氧化钛(RGO/TiO2)复合光催化剂,并研究了该复合材料在可见光以及紫外光下对亚甲基蓝的光催化降解活性.结果表明,通过改变反应温度和氧化石墨加入量可以调控TiO2的晶相组成及其在复合材料中的分散性;在水热反应过程中氧化石墨烯发生了部分还原;所制备的RGO/TiO2复合材料的可见光和紫外光催化活性均高于纯TiO2;部分还原的氧化石墨烯在复合材料中担当载体和电子受体,同时可以使TiO2的初始吸收边向可见光区域红移,增强了TiO2在可见光区域的吸收,能有效提高对目标污染物的吸附性和光催化降解活性.

二氧化钛涂覆多壁碳纳米管的制备及可见光催化活性

以多壁碳纳米管(MWCNTs)为反应性模板,金属钛粉为钛源,采用熔盐法制备碳化钛涂覆的MWCNTs中间体,然后通过控制氧化制备二氧化钛涂覆的MWCNTs复合光催化剂.考察了熔盐反应温度、MWCNTs和钛粉的摩尔比及氧化温度等对产物的结构和形貌的影响.采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对其进行了系统的表征;以亚甲基蓝(MB)溶液的脱色降解为模型反应,考察了催化剂的可见光(λ>420nm)催化活性.结果表明:所制备的催化剂基本保持了原始MWCNTs的纤维状形貌,二氧化钛涂层在MWCNTs表面分布均匀,并与MWCNTs之间结合紧密,形成了Ti-O-C键.MWCNTs增强了污染物亚甲基蓝在催化剂表面的吸附,Ti-O-C键的形成使得在二氧化钛价带附近形成了杂质能级,提高了对可见光的吸收和利用,因此所制备的TiO2/MWCNTs复合光催化剂表现出较高的可见光催化活性.

高定向导热炭材料的研究进展

微电子及通讯技术领域的快速发展对热管理材料提出了更高要求,迫切需要设计和开发高定向导热炭材料。高定向炭材料因其较高的石墨微晶结晶度和石墨化度、有序规整堆叠的石墨烯层片,而具有典型的各向异性高导热特性。粉末状炭材料(如鳞片石墨、气相生长炭纤维、纳米碳管、石墨烯等)的热导率虽然很高,但作为导热填料制备的复合材料的整体导热效果不佳,因此其在大型高功率集成器件散热领域的应用会受到一定限制。控制炭材料内部石墨微晶大小、取向和取向连续性是实现炭材料高定向导热性的关键。通过选择合适的碳质前驱体、成型工艺和热处理条件,调控石墨烯层片连续取向得到的宏观尺寸炭材料(如柔性石墨、天然鳞片石墨模压块、高定向热解石墨、聚酰亚胺石墨膜/块体、中间相沥青基炭纤维连续长丝及其复合材料等),可使石墨晶体沿(002)晶面方向保持高导热特性,实现高定向、连续、多维度可调控热传导,因此在导热、散热、热防护等领域具有广阔的应用市场。

垂直排列碳纳米管阵列和炭/炭复合材料的制备、导热性能及其在热管理中的应用进展

现代科技的发展对热管理材料提出了更高、更迫切的需求。由于具有优异的导热性、低热膨胀系数和耐高温性,定向排列碳纳米管和炭/炭复合材料作为理想的轻质、稳定的热管理材料引起了广泛的关注。本文首先介绍了炭材料的导热机制,系统评述了垂直排列碳纳米管阵列和炭/炭复合材料的制备方法,热导率的主要影响因素以及它们在热管理中的应用。总结了材料制备-结构-性能之间的关系,并给出了提高材料导热性能的策略。最后提出了垂直排列碳纳米管阵列和炭/炭复合材料在热管理应用中面临的挑战及今后的研究方向。

利用微藻技术减排CO_2的研究

利用诱变育种技术对用来固定CO2的微藻进行育种,获得耐受高CO2浓度、可高效固定CO2的斜生栅藻突变株WUST-04,其最适宜生长的CO2浓度由诱变前的5%提高到诱变后的15%。在5 L的光生物反应器中初步研究了该微藻的固碳工艺。结果表明,在适宜的CO2浓度下,微藻的CO2固定效率提高了17.5%,最大CO2固定效率达1.846 g/d.L。

莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的制备及性能研究

以正硅酸乙酯为硅源,采用溶胶-凝胶及超临界干燥技术制备了掺杂莫来石纤维的SiO2气凝胶复合材料,并对材料的热学性能和力学性能进行了测试,结果表明:SiO2气凝胶复合材料的热导率与其密度、温度和纤维添加量有关;添加莫来石纤维可以明显提高SiO2气凝胶的弹性模量和机械强度,改善材料的力学性能;莫来石纤维添加量控制在3%左右可以使SiO2气凝胶材料保持较低的热导率和较高的机械强度。

熔盐反应法在碳纤维表面制备TaC涂层

在由NaCl、KCl和KF组成的混合盐体系中,利用熔盐反应法在碳纤维表面成功地制备了TaC涂层。研究了反应温度对TaC涂层相组成、表面形貌以及涂层厚度的影响。结果表明,在950-1200℃范围内能在碳纤维表面制备TaC涂层,并且随着反应温度的升高,TaC涂层的厚度增加,涂层的颗粒尺寸增大,均匀程度下降。TaC涂层对碳纤维抗氧化能力的改善在很大程度上取决于涂层质量以及涂层与碳纤维基体的结合状态。在1000℃保温5h制备的TaC涂层连续、均匀而致密,且与基体的结合较好,涂层后碳纤维的起始氧化失重温度从原来的450℃升高到650℃左右。