沥青基碳纤维的制备工艺、反应机理及调控方法

沥青基碳纤维是重要的工程碳纤维之一,在航空航天、国防军工等领域具有广泛应用。沥青基碳纤维制备流程长、影响因素多,归咎于对其制备工艺、反应机理及调控方法的认识不足,迄今工业化生产强度性能优异的沥青基碳纤维仍面临诸多困难。以碳纤维生产流程为主线,针对原料预处理、沥青前驱体调制、熔融纺丝、预氧化及炭化与石墨化的现状、方法、机理及调控进行深入探讨分析。沥青基碳纤维的原料有煤系、石油系、生物质系、高分子系和纯化合物,原料预处理方法主要有蒸馏和萃取;沥青前驱体的调制本质是以氢转移反应和自由基反应并行的液相炭化反应,包括环化、芳构化、低聚和缩聚等复杂的反应过程。芳烃低聚物在高温下缩聚形成稠环芳烃片状大分子的基本结构单元,基本结构单元经过热运动不断聚集,形成聚集体;由于范德华力作用使基本结构单元相互堆叠,形成平行堆积体,进而通过层积、堆积等过程形成基本构筑单元聚集体。基本构筑单元聚集体在不同反应条件下可以转变为长程无序、短程有序的难石墨化结构,也可以转变为长程有序、短程有序的易石墨化结构。以煤系、石油系和生物质系物质为原料调制沥青前驱体时,因其反应活性好,通常选用设备简单、操作容易、成本低廉的热缩聚法;而当以萘、甲基萘等纯化合物为原料时,因其反应活性差,需要较高的温度才能引发自由基反应,故通常采用催化合成法。熔融纺丝宏观上起到塑型的作用,通过改变纺丝参数和喷丝板的形状分别可以调节碳纤维的直径和形状;此外,熔融纺丝对中间相沥青前驱体的重排分子作用尤为明显,使得石墨微晶更易沿轴向一维排列形成有序的石墨晶体结构。为使沥青纤维在炭化过程中不发生融化,需要将沥青纤维由热塑性转变为热固性,即通过轻微的氧化反应,让沥青中的稠环芳烃分子经历氧化、缩合、分解和脱水,从而形成特定的交联结构,最终在纤维结构中生成一定量的含氧官能团。炭化是使预氧化后的纤维经过复杂的化学反应和结构转变形成具有炭材料分子结构特征的碳纤维。炭化过程中,石墨微晶发生重排,非碳原子被移除,碳元素含量进一步升高;经过石墨化后,石墨晶体结构更加完整、取向度更高,使碳纤维向石墨纤维转变,强度性能更加优异。另外,针对沥青基碳纤维的突破方向,提出了从分子维度定向可控制备的思路;并为碳纤维生产过程中耗时耗能的预氧化步骤的优化改进提供了具体方法。

复合材料T形长桁制造技术研究

以底缘对称T形长桁和非对称T形长桁为研究对象,通过不同长桁制造工艺方法、固化参数设置以及长桁固化变形因素分析,对比各类成型方法,结合模拟仿真分析影响长桁固化变形因素,探究AC531树脂体系下长桁制造的技术难点,为T形长桁的制造工艺提供借鉴。

固化条件对苯并噁嗪树脂基材料力学性能的影响

苯并噁嗪树脂基复合材料具备耐高温,材料热稳定性高,固化后无组分溢出等特点,被广泛用于国产C919大型客机后机身后段等高温工作区域。采用热压罐固化工艺,评价了不同固化温度、固化压力、保温时间等固化工艺条件对苯并噁嗪树脂基复合材料力学性能的影响,以便选择最优的固化工艺条件,同时评价了该材料71℃的湿热老化性能。结果表明:固化温度对材料的压缩、层间剪切强度影响较小;随着固化压力的降低,材料的压缩强度和层间剪切强度略有降低;随着保温时间的延长,压缩强度略有增加,压缩模量略有下降,层间剪切强度变化较小;相比干态层间剪切强度,71℃湿热老化条件下的层间剪切强度下降幅度在7%以内,该材料在抗湿热老化性能方面表现优异。

复合材料非热压罐成型及孔隙率影响研究

以平板夹层结构为研究对象,采用进口T300级非热压罐碳纤维织物预浸料,针对非热压罐碳纤维织物预浸料成型的零件孔隙率影响因素,排除固化工艺的影响,主要聚焦在铺贴和封装两个过程,从预压实参数、封装辅料布置这两大影响因素进行研究。通过设置不同的工艺参数,并对制造的平板夹层结构零件进行金相分析及孔隙率测试,获得最佳工艺参数,零件的最大孔隙率由改进前的1.81%降低为0.02%,大幅度降低零件孔隙率,从而提高零件合格率。

碳纤维复合材料蜂窝夹层零件质量控制研究

采用热压罐成型工艺方法制造碳纤维复合材料蜂窝夹层结构试验件,分别从蒙皮表面质量控制和蒙皮内部质量控制两个方面进行研究。结果表明:在试验件靠模具面选择合适表面胶膜材料可以解决蒙皮表面贫胶的问题;通过改进试验件的铺贴及固化工艺过程可以使蒙皮内部质量得到很好地控制,解决孔隙率超差及铺层褶皱的问题。研究成果为复合材料碳纤维蜂窝夹层零件的成型质量控制提供了参考。

再生碳纤维对机场跑道导电混凝土性能的影响

对废旧碳纤维进行机械处理回收,用其制备了一种环保型导电混凝土,并通过抗压强度、抗折强度、电热试验以及融冰融雪能力试验对其进行性能评价。结果表明:当再生碳纤维体积分数为3.0%时,导电混凝土的抗压强度与抗折强度均达到峰值,7、28 d抗压强度分别为33.72、42.57 MPa;7、28 d抗折强度分别为5.03、6.38 MPa;随着再生碳纤维体积分数的不断增加,导电混凝土的电热效率与融冰融雪能力快速提高,在模拟融冰融雪试验中,120 min后温度升高到1.9℃,温升速率达0.12K/min。

民机复合材料液体成型技术研究与应用进展

综述了民机复合材料的概况,主要包括VARI工艺在民机复合材料中的研究与应用进展,RTM工艺的研究与具体应用进展,RFI工艺在民机复合材料中的研究与应用进展,以及液体成型技术在民机领域的发展与展望。

铁粉/碳纤维增强树脂复合材料的制备 及脆化损伤研究

将偶联剂改性纳米铁(Fe)粉与预处理后的碳纤维混合,浸润于环氧树脂基料中,经过搅拌混合制备纳米Fe粉/碳纤维增强树脂复合材料,研究了复合材料在高温老化、水浸老化环境下的脆化损伤行为。结果表明:树脂受到高温老化和水浸泡老化后会出现脆化损伤,碳纤维和纳米Fe粉加入会对该损伤有一定抑制;加入质量分数为4.0%的纳米Fe粉后,随着高温老化时间延长,碳纤维质量分数为3.0%的纳米Fe粉/碳纤维增强复合材料的拉伸强度、断裂韧性下降幅度较小,同时脆化损伤后树脂与纳米Fe粉、碳纤维仍结合紧密;碳纤维质量分数为3.0%、纳米Fe粉质量分数为4.0%的纳米Fe粉/碳纤维增强复合材料经水浸老化后,断裂韧性仍旧保持较高水平。

金属氧/硫化物修饰石墨烯复合纤维及其柔性超级电容器

纤维型柔性超级电容器由于其高功率密度、长循环寿命、微型化、优异柔韧性等特点,在可穿戴电子产品、智能织物领域备受关注。以氧化石墨烯和片状二硫化钼为混合纺丝液,通过限域水热法组装制备二硫化钼/石墨烯复合纤维,并在纤维表面原位均匀沉积二氧化钌,制备二氧化钌@二硫化钼/石墨烯复合纤维(RuO_(2)@MoS_(2)/GF)。采用SEM、TEM、XPS、XRD等测试方法对复合纤维进行结构形貌表征,并组装纤维型超级电容器,评价其在凝胶电解质体系的电化学性能。结果表明:在电流密度为0.2 mA/cm^(2)时,RuO_(2)@MoS_(2)/GF的比电容为685 mF/cm^(2),同时具有良好的循环稳定性,充放电循环6000次后,比电容保持率80%;通过将纤维型超级电容器串联,实现为电子计时器实际供能,促进石墨烯纤维在智能可穿戴领域的应用。

我国超高分子量聚乙烯纤维的发展现状与建议

超高分子量聚乙烯纤维因优异性能在航空航天、军事防护、海洋工程及纺织等领域具有广泛的应用前景,是世界各国竞相发展的战略性新材料。本文梳理了我国超高分子量聚乙烯纤维发展历程,总结了当前产业发展现状,分析了存在的问题,并对未来发展提出建议。

PMIA树脂溶液中盐酸含量的测定

分别以乙酸钠-甲醇溶液、氢氧化钾-甲醇溶液为滴定剂,采用电位滴定法测定不同中和程度的聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)树脂溶液中盐酸含量,并对2种测试方法的准确度和精密度进行比较。结果表明:采用2种测试方法测定中和程度分别为0、60%、95%、100%的PMIA树脂溶液中盐酸含量,2种测试方法的测定结果相近;采用F检验和t检验两种统计法验证了显著性水平为0.05、置信度为95%时2种测试方法的准确度和精密度均无显著差异,以氢氧化钾-甲醇溶液为滴定剂的测试方法的精密度更高;采用标准盐酸加入法,并以氢氧化钾-甲醇溶液为滴定剂测定不同中和程度的PMIA树脂溶液中盐酸回收率,平均回收率为96.5%~98.5%,验证了该方法的准确性;对于正常滴定过程中等当点不易识别的PMIA树脂溶液,可通过预加已知量的盐酸后再采用氢氧化钾-甲醇溶液滴定,从而确定溶液的酸碱性。

微纳层叠带状聚丙烯腈初生纤维的制备及性能研究

以聚丙烯腈(PAN)和二甲基亚砜(DMSO)为原料,采用新型微纳层叠挤出技术制备了微纳层叠带状聚丙烯腈(PAN)基初生纤维,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电子万能试验机对初生纤维的性能进行了研究。分析了纤维凝固成形过程中空气层高度、凝固浴温度、凝固浴浓度对微纳层叠带状PAN初生纤维性能的影响。结果表明:层叠带状PAN初生纤维相比于传统圆形截面纤维,在纺丝过程中能保持良好的带状截面不变形;并且在空气层高度为30mm,凝固浴温度为45℃,凝固浴浓度为40%工艺条件下制备的层叠带状PAN初生纤维综合性能较好,获得了结晶度为31.3%,晶粒尺寸为4.53nm,拉伸强度为14.60MPa的层叠带状PAN初生纤维。

氯苯添加量对通用级碳纤维结构与强度性能的影响

采用氯化-脱氯化法制备通用级碳纤维是煤液化残渣的高附加值利用路径之一,然而迄今为止,针对以氯苯为氯源诱导的氯化-脱氯化反应的研究尚不够深入,尤其是氯苯添加量对碳纤维结构与性能的影响仍缺乏研究。以煤液化残渣为原料,以氯苯为氯源,采用氯化-脱氯化法制备通用级碳纤维。借助元素分析仪、傅立叶变换红外光谱仪、^(13)C固态核磁共振波谱仪、X射线光电子能谱仪、基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪、扫描电子显微镜、拉伸强度测试仪及高精度显微镜表征研究氯苯添加量(10 g~40 g)对沥青前驱体分子组成与结构、熔融纺丝性及碳纤维强度性能的影响及规律。结果表明:经氯化-脱氯化法制得的煤液化残渣基沥青前驱体以芳香碳为主要组成,碳元素含量达91%以上,且碳元素含量和碳氢质量比随着氯苯添加量的升高而略微降低;X射线光电子能谱分析结果表明,经脱氯化反应后未见氯元素残留;氯化-脱氯化反应促使了芳环之间的缩聚,当氯苯添加量为20 g时,平均相对分子质量的质荷比为677;通过13 C固态核磁共振波谱可知,氯苯诱导的缩聚反应主要是加强了芳环的渺位缩聚,当氯苯添加量从10 g增加至40 g时,渺位缩聚碳的含量从9.40%提升至11.78%,这说明沥青前驱体的分子结构沿着一维方向呈现线性排列,进而熔融纺丝性随着氯苯添加量的增加而明显提高,CLR-CB-30和CLR-CB-40两组沥青前驱体在293 r/min的缠丝转速下仍能实现连续纺丝而不发生断裂,碳纤维的表面和断面光滑无缺陷,平均强度性能最高达932 MPa,平均直径约为12μm。表明采用氯化-脱氯化法制备出的煤液化残渣基通用级碳纤维具有较好的强度性能,达到了目前以煤焦油沥青或者石油沥青为原料工业化生产的通用级碳纤维的水平。

硼酸浸渍碳纤维对激光石墨化效果的影响

在激光石墨化前对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行硼酸(H_(3)BO_(3))浸渍处理,通过改变H_(3)BO_(3)含量和H_(3)BO_(3)浸渍时间考察H_(3)BO_(3)浸渍对激光石墨化效果的影响,采用拉曼光谱仪和X射线衍射仪对石墨化碳纤维的化学结构和微观形貌进行表征。结果表明:微量的硼可以进入石墨片层结构,石墨碳微晶的堆叠厚度L_(c)增大、石墨片层间距d_(002)减小、方位角半高宽减小、结晶度提高,同时石墨化程度提高;而过量的硼使得微晶结晶度和石墨化程度降低;在H_(3)BO_(3)含量和浸渍时间相同条件下,随着激光功率的增加,碳纤维石墨化程度显著提高。

纺织级聚丙烯腈纤维组成对预氧丝制备的影响

采用专用级和纺织级聚丙烯腈(PAN)原丝制得预氧丝,分析了不同来源PAN原丝的黏均相对分子质量及组成成分,探究了纺织级PAN原丝在预氧化过程中的放热及热解过程,并与专用级PAN原丝进行了对比。结果表明:相较于专用级PAN原丝,纺织级PAN原丝黏均相对分子质量较小,为(5~8)×10^(4),断裂强度略低,第二单体以醋酸乙烯酯(VAc)为主;以VAc为第二单体的纺织级PAN原丝的环化反应过程更加温和,且随着第二单体加入比例增大,所得预氧丝的环化程度下降;第二单体VAc摩尔分数为2.4%的纺织级PAN原丝制得的预氧丝的环化指数达到0.64,断裂强度为(2.67±0.22)cN/dtex,该PAN原丝无需进行交联等预处理即可制得低成本预氧丝。

碳纤维复材结构网球器械接头的胶接强度性能表征

针对网球器械用碳纤维复合材料胶接连接,以超声机械振动方法胶接处理了网球器械用碳纤维复合材料,并测试分析了碳纤维复合材料胶接强度。结果表明,超声机械振动胶接工艺参数直接影响着网球器械用碳纤维复合材料的胶接强度,其振动时间为21s、振动压力为0.35 MPa、振动位置为27 mm、振幅为57μm时,网球器械用碳纤维复合材料胶接强度最高;相较于未超声机械振动对照组,基于正交实验优化的超声机械振动组的碳纤维复合材料胶接强度更高,且试样破坏后胶层截面位置缝隙非常小,胶接强度分散性较小,胶接性能更加稳定。

一种集成电路电容适用的碳纤维改性复材制备及性能

为了提升集成电路电容用复合材料的综合性能,对比分析了碳纤维(CF)、Ni(OH)_(2)改性碳纤维CF-Ni(OH)_(2)和聚多巴胺改性碳纤维CF-PNi的表面形貌、化学结构、润湿性能和力学性能。结果表明,原始CF表面存在深度不一的加工沟槽、粗糙度较大,当经过Ni(OH)_(2)和聚多巴胺改性处理后,碳纤维表面沟槽基本消失,表面粗糙度减小。改性CF相较CF与树脂(EP)的接触角都有不同程度减小,与树脂接触角从大至小顺序依次为:CF、CF-Ni(OH)_(2)、CF-PNi;当采用Ni(OH)_(2)对CF进行改性后,CF-Ni(OH)_(2)/EP的弯曲强度F_(s)、弯曲模量F_(m)、层间剪切强度ILSS和横向拉伸强度Hl相较CF有明显提升,采用聚多巴胺进一步对CF-Ni(OH)_(2)进行改性处理后,CF-PNi/EP的F_(s)、F_(m)和Hl会相较CF-Ni(OH)_(2)/EP进一步提升,而ILSS变化幅度不大。

Ⅳ型储氢气瓶承载层CFRP基体优选与性能研究

以SW树脂及HY4006树脂为基体树脂,以12K T700碳纤维(HY-1、HY-2、HY-3)为纤维增强体,制备Ⅳ型储氢气瓶承载层用碳纤维增强复合材料(CFRP),从固化特性、耐热性能、流变性能和树脂浇注体的力学性能等方面筛选适合的树脂基体,通过树脂对纤维的浸润性及CFRP的力学性能、微观形貌、孔隙率等筛选出最优的CFRP体系。结果表明:SW树脂的固化温度为109~142℃,固化速率快,固化时间短,黏度增长较慢,而且其浇注体力学性能好,比HY4006树脂更适合于Ⅳ型储氢气瓶的缠绕工艺;SW树脂对HY-2碳纤维的浸润性更好,起始接触角为80.06°,浸润时间仅2.5 s;由SW树脂与HY-2碳纤维制备的CFRP拉伸强度为2650 MPa,剪切强度为64.63 MPa,密度为1.67 g/cm 3,纤维体积分数为63.61%,该CFRP界面结合好,孔隙率低,力学性能优异,是Ⅳ型储氢气瓶缠绕层的理想材料。

抗半速12.7mm穿甲燃烧弹陶瓷装甲数值模拟与试验研究

为了研究半速12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻条件下,陶瓷横向尺寸对其抗弹性能的影响规律以及陶瓷抗弹性能对支撑条件的响应,同时探究可实现有效防护的复合装甲结构,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对弹体侵彻陶瓷复合装甲的过程进行数值模拟,并进行靶试试验验证。结果表明:随着陶瓷横向尺寸增大,其消耗弹体能量比例不断增加,当陶瓷尺寸增大至6倍弹径时,其消耗弹体能量比例基本稳定;陶瓷抗弹性能与其支撑条件相关,碳纤维对陶瓷的支撑作用大于PE对陶瓷的支撑作用;12 mm碳化硅+3 mm碳纤维+12 mm PE组成的陶瓷复合装甲可实现抗半速12.7 mm穿甲燃烧弹的有效防护。数值模拟分析结果和试验结果吻合良好,说明了数值模拟方法的正确性和模拟结果的有效性。

我国碳纤维在体育休闲用品领域的应用进展

近年来我国碳纤维在产能、产量及国产化替代率方面均有显著增长,体育休闲用品作为碳纤维最重要的应用领域之一,其碳纤维消费量一直在碳纤维终端市场中处于领先地位。文章介绍了碳纤维在钓鱼竿、高尔夫球杆、自行车和球拍等体育休闲用品中的应用现状及相关代表性品牌,希望能为我国碳纤维在体育休闲用品领域的进一步应用提供参考。