sp^2杂化三维碳材料构建研究进展

sp^2杂化是碳碳成键的重要方式之一,利用其三重对称空间构型可以得到稳定的石墨结构和亚稳定的富勒烯、纳米碳管、石墨烯等碳纳米结构;未参与杂化的电子形成游离的π键,使得以上材料具有较好的电子导电性或其他独特的电学性质.因其优异的物理、化学、生物等特性,sp^2杂化碳材料,尤其是sp^2杂化纳米碳材料引起了巨大关注,有望在电子、能源、生物医疗、制药、功能材料等领域得到广泛应用.在已经进行的众多研究中,经常需要把上述碳纳米材料进行组装、构建成三维材料,从而在更大的尺度和空间中体现纳米基元的优异特性.本文综述了基于sp^2杂化的三维碳材料的最新进展,以构建方式和构建基元之间的相互作用为出发点进行相关评述.

三维四向碳/碳复合材料力学性能预测与试验验证

针对三维四向碳/碳复合材料力学性能预测问题,基于参数传递多尺度分析方法建立微结构模型,并结合细观力学方法实现了基本力学性能的预测。首先在微观尺度采用随机扰动算法构造出纱线体积代表单元(RVE)模型,预测得到纤维束有效性能参数。同时,采用观察试验法构建三维四向碳/碳复合材料细观RVE模型。最后通过均匀化理论准确预测了复合材料弹性性能参数,并讨论了纱线填充因子对三维四向碳/碳复合材料弹性性能参数的影响,开展了相关试验。结果表明:建立的多尺度有限元模型的拉伸模拟预测结果与试验结果误差在5.5%左右;复合材料弹性性能参数对纱线填充因子的敏感度各不相同。

钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接静力学性能研究

对钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接进行静力学性能研究。先对相同试件宽度及连接端距下的2种不同料厚组合的钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接试件进行静力学试验,而后对同一料厚组合不同试件宽度W及连接端距E下的盲端拉铆连接组合进行静力学试验,以研究钢板与碳纤复合材料盲端拉铆连接的静力学性能、失效模式以及试件宽度、连接端距对其静力学性能的影响。研究表明:采用盲端拉铆钉连接钢板与碳纤板可获得较好的力学性能;碳纤板与钢板盲端拉铆连接组合的失效模式及连接最大破坏载荷与三维编织碳纤板切割方向相关;试件宽度及连接端距对连接的失效模式及最大破坏载荷均有影响。

三维多孔碳纳米材料用于烟用纸张中五氯苯酚的测定方法研究

目的 建立烟用纸张中五氯苯酚(PCP)的快速电化学测定方法。方法 基于沸石咪唑酯骨架(ZIF)的ZIF–8、ZIF–67具有相同的晶胞参数和同构性,以ZIF–8@ZIF–67为模板制备三维纳米多孔碳(NGPC)。利用NGPC的高比表面积以及优异的电子传递效率构建的传感器(记作NGPC/SPCE)对PCP具有很好的响应。结果 在0.86 V的检测电位下,NGPC/SPCE具有较高的灵敏度(2.452μA·cm^(-2)·L·mg^(-1))。传感器对PCP的检测具有良好的选择性。传感器对PCP检测具有较好的准确度和精密度。3个浓度梯度的回收率为95.7~98.6;6次测试结果的相对标准偏差为2.07%。传感器对PCP的检测具有较好的长期稳定性。同一传感器连续检测25 d后,仍保持原先88.1%的响应。结论 文中构建的传感器适用于对烟用纸张中PCP的检测,并能获得理想的检测结果。

三维编织碳纤维复合材料超声辅助车削可行性分析

根据三维编织碳纤维复合材料非均质性和各向异性的特点,将其车削加工表面分为四类典型表面。分别采用三种不同刀具对三维编织碳纤维复合材料进行了超声辅助车削和普通车削加工试验,分析了四类典型表面的粗糙度的变化规律,建立了三维编织碳纤维复合材料表面质量评价方案,并对超声辅助车削和普通车削加工过程中的切削力和刀具磨损进行了研究。结果表明,超声辅助车削加工三维编织碳纤维复合材料相对于普通车削,可以有效地提高工件表面质量,降低切削力,延长刀具寿命。

三维编织碳纤维复合材料剪切性能研究

本文采用短梁三点弯曲试验法,研究三维四向、五向编织碳纤维复合材料的剪切性能、剪切破坏过程及其破坏模式。结果表明:三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好;三维编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增加;切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近侧表面裂缝沿纱线走向分布,上下两表面发生弯曲破坏,离开侧表面2 mm后内部纵向截面上下表层发生弯曲破坏,其它部位未发生剪切破坏。

杂原子掺杂三维碳基材料在超级电容器中的研究进展

具有低维度结构的碳材料往往因为自身的不稳定性难以实际应用,与之相比,三维(3D)碳基材料由于自身超高的比表面积、互连的多孔网络通道、独特的孔隙、优良的机械稳定性等特性正在成为有前途的超级电容器电极材料。然而,对于电化学电容器来说碳材料本身的比容量低,杂原子掺杂技术的提出与实践提高了碳基材料的上限。本文主要论述了近些年科研人员将N、S、P等杂原子掺入三维碳基材料应用于超级电容器领域的最新研究进展。

三维碳纳米材料的制备及其电化学性能

以生物质废弃物柚子皮为原材料,采用先水热后碳化的方法,制备出三维碳纳米材料.通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等分析手段对产物的物相、形貌进行了表征分析,并将产物作为钠离子电池的负极材料,研究不同碳化温度对其电化学性能的影响.结果表明,当碳化温度为600℃时得到的三维碳纳米材料电化学性能最好,在50 m A·g^(-1)电流密度下,初始放电比容量高达430 m Ah·g^(-1),500圈循环后容量保持率可达稳定时的90%.

碳纤维三维编织复合材料预制件厚度的测量

提出了一种利用电涡流传感器进行碳纤维三维编织复合材料预制件厚度测量的研究方法,给出了测量系统的测量原理、硬件组成及软件设计框图,并对测得的厚度值进行了分析.实验证明,使用该系统测量的数据准确,精度高.

准三维针刺碳/碳复合材料几何构型对压缩试验性能的影响研究

为了给准三维针刺碳/碳复合材料压缩力学性能测试确定合适的几何构型,选取了2种立方体外形、1种圆柱体外形进行压缩试验,并对试验测得的压缩强度的大小、分散性以及破坏模式等方面做了对比分析。对于准三维针刺轴向和径向构型,最终选取立方体10mm×10mm×10mm为最佳几何构型。

准三维针刺碳/碳复合材料拉伸试验几何构型比对研究

本文选取了2种轴向外形尺寸和3种径向外形尺寸的准三维针刺碳/碳复合材料试样,轴向和径向的第一种形状均有带加强片和不带加强片两种构型。对这7种构型进行了拉伸试验,并对试验测得的拉伸强度和拉伸模量的大小、分散性以及破坏模式等做了对比分析。结果表明,直条型150mm×15mm×6mm(夹持部位35mm×15mm)在所选轴向构型中最优,直条形150mm×15mm×10mm(夹持部位35mm×15mm)构型在所选径向构型中最优。

三维绕编穿刺碳/碳复合材料几何构型对拉伸试验性能的影响研究

为了给三维绕编穿刺碳/碳复合材料拉伸力学性能测试确定合适的几何构型,选取了8种轴向构型和2种径向构型,部分构型粘贴有加强片。对这10种构型进行了拉伸试验,并对试验测得的拉伸强度和拉伸模量的大小、分散性以及破坏模式等做了对比分析,最终选取了哑铃形130mm×7.80mm×7.80mm(夹持部位32.0mm×19.2mm)作为轴向最优构型,哑铃形150mm×10.0mm×10.0mm(夹持部位35.0mm×18.6mm)作为径向最优构型。

三维无纬布穿刺碳/碳复合材料几何构型对拉伸试验性能的影响研究

为了给三维无纬布穿刺碳/碳复合材料拉伸力学性能测试确定合适的几何构型,选取了5种轴向构型和1种径向构型,部分构型粘贴有加强片。对这6种构型进行了拉伸试验,并对试验测得的拉伸强度和拉伸模量的大小、分散性以及破坏模式等做了对比分析,确定哑铃形构型适于三维无纬布穿刺径向试样,且径向试样的夹持面应尽可能地大。对径向构型来说,哑铃形100mm×9.6mm×9.6mm(夹持部位20mm×19.2mm)构型最佳。

细编穿刺3D碳/碳复合材料双向拉伸实验研究

对细编穿刺3D碳/碳复合材料双向拉伸性能进行了实验研究,介绍了双向拉伸实验方法,自行设计制作了一套双向拉伸实验装置,采用有限元分析方法进行了十字型试件的设计。对两种不同铺层的细编穿刺3D碳/碳复合材料进行了1∶1应力状态下的双向拉伸实验,得到了材料在该种应力状态下的强度,试件初始破坏都发生在中心区。研究结果为该种材料在复杂应力状态下的强度分析奠定了基础。

3D Gr/g-C3N4复合材料的制备及光催化还原铀试验研究

以苯为前驱物,采用原位MgO模版法制备具有高比表面积和丰富孔道结构的中空三维石墨材料(3D Gr);以尿素为分散液,尿素与3D Gr超声复合后热缩聚合成3D Gr/g-C3N4复合材料。3D Gr与g-C3N4复合,通过3D Gr的三维中空结构可以有效提高光生电荷迁移率,提高g-C3N4基光催化材料的可见光吸收范围、吸收强度、光生电子跃迁和利用率,从而实现高效光催化还原去除UO2^2+。

三维多孔碳材料的制备及对左氧氟沙星吸附性能研究

目的 左氧氟沙星是临床上普遍使用的第三代氟喹诺酮类抗生素药物,其代谢物、残余药液排放到环境中会造成环境污染。方法 本文采用改进Hummer法制备了氧化石墨烯,进一步利用低温煅烧技术制备了大比表面的三维多孔碳材料,在200℃马弗炉中煅烧2 min,比表面积可达到675.62 m^(2)/g。通过等温吸附实验研究其对左氧氟沙星的吸附机理和效果。结果 三维多孔碳材料在pH值为4~7内对左氧氟沙星表现出优异的吸附性能。通过优化实验条件,当三维多孔碳材料的投加量为20 mg,对100 ml 30 mg/L的左氧氟沙星在pH值=5时吸附量可达到115.63 mg/g。准二级动力学方程跟Langmuir方程能很好地描述三维多孔碳材料的吸附,对其吸附热力学数据进行分析表明三维多孔碳材料对左氧氟沙星的吸附是一个自发、吸热、无序的过程。结论 低温煅烧制备的三维多孔碳材料是一种潜在性能优良的抗生素吸附材料。

The use of carbon-based particle electrodes in three-dimensional electrode reactors for wastewater treatment

The use of three-dimensional(3D)electrodes in water treatment is competitive because of their high catalytic efficiency,low energy consumption and promising development.The use of particle electrodes is a key research focus in this technology.They are usually in the form of particles that fill the space between the cathode and anode,and the selection of materials used is important.Carbon-based materials are widely used because of their large specific surface area,good adsorption performance,high chemical stability and low cost.The principles of 3D electrode technology are introduced and recent research on its use for degrading organic pollutants using carbon-based particle electrodes is summarized.The classification of particle electrodes is introduced and the challenges for the future development of carbon-based particle electrodes in wastewater treatment are discussed.

制备工艺对C_(3D)/EP复合材料力学性能的影响

本文采用了两种工艺制备三维编织碳纤维增强环氧树脂基 (C3D/EP)复合材料 ,并对其力学性能和微观结构进行了研究和分析。结果表明 ,孔隙对复合材料的影响较大 ,相对RTM工艺制备的复合材料 ,真空浸渍法制备的复合材料有较高的空隙率 ,较低的弯曲强度和弯曲模量、较好的冲击性能。

三维碳纳米材料的研究进展

三维碳纳米材料具有不同的结构和形貌,具有优异的电学、光学和磁学性质。在电子器件、传感器、光电材料、磁性材料和其它功能的材料等领域显示出很好的应用前景。三维碳纳米材料的结构、形貌和应用研究已经成为碳纳米材料领域的研究前沿和热点之一。本文综述了三维碳纳米材料的结构、形貌和应用的研究进展,探讨了该研究领域需要解决的问题以及今后可能的发展前景。

一种柔性锂空气电池的设计与性能

针对锂空气电池实际能量密度低、倍率性能不足及循环性稳定能差等问题,以三维石墨烯/生物质碳复合材料作为电极,设计柔性锂空气电池,研究电池的搁置性能、柔性及不同活性物质载量的放电性能。随着搁置时间的延长,开路电压从2.23 V增大至3.13 V,逐渐趋于稳定,阻抗呈现同样的趋势,在5 h后稳定在4.28Ω。柔性电池在空气中可正常工作,将整个电池折叠近90°时,仍可正常工作。随着活性物质载量从52 mg增加到168 mg,放电容量呈先增加、后降低的趋势;当电极中活性物质总载量为140 mg时,全电池的比能量为1100 W·h/kg,是目前商业锂离子电池的3倍以上。以5 mA的电流按200 mAh/g的比容量在空气环境中循环152次,电池的充、放电电压平台分别稳定在4.38 V、2.51 V。