二维碳化钛/多孔碳纤维的制备及性能研究

以聚丙烯腈(PAN)为碳源,聚苯乙烯微球为造孔剂,采用静电纺丝法合成二维碳化钛/PAN复合纤维(MXene/PANFibers),通过焙烧处理后得到二维碳化钛/多孔碳纤维(Ti_(3)C_(2)T_(x)/PCNF)复合材料。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、比表面分析仪及电化学工作站等对其进行微观结构表征和电化学性能测试。结果表明:Ti_(3)C_(2)T_(x)/PCNF复合材料的比表面积为294 m^(2)·g^(-1),孔径分布集中在50~100 nm之间,少层Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米薄片锚定在碳纤维中;Ti_(3)C_(2)T_(x)/PCNF作为电极材料具有优异的电化学性能,在1 A·g^(-1)的电流密度下比容量为292 F·g^(-1),当电流密度升至10 A·g^(-1)时其比容量仍高达169 F·g^(-1),这主要得益于复合多孔碳纤维具有优良的电化学阻抗特性。因此,二维碳化钛/多孔碳纤维(Ti_(3)C_(2)T_(x)/PCNF)复合材料在过滤、吸波以及催化等方面具有极大的发展潜力。

碳纤维二维编织管状织物的编织工艺

针对碳纤维在二维编织过程中不耐扭折、易受损断纱的问题,通过拉伸性能实验和导纱瓷眼折角磨损实验分析了碳纤维复丝的可编织性能,探讨了纱管在缠绕过程中应注意的问题。在24锭二维编织机上编织了8种不同工艺参数的碳纤维管状编织物,研究了编织工艺对织物外观起毛情况及力学性能的影响。结果表明:碳纤维复丝的断裂强度为86.39 c N/tex,断裂伸长率为1.12%,断裂强度远高于其他纤维,但延伸性差;影响碳纤维复丝在导纱瓷眼处折角磨损程度的因素依次为牵引力、折角、编织速度;在编织纱线根数不变的情况下,随编织节距的减小,管状编织物的面密度逐渐增加,起毛现象严重,编织物的拉伸断裂强力降低。

基于碳纤维框架天基目标探测二维跟踪转台结构优化

为满足某星载太阳辐照度光谱仪对太阳的跟踪指向技术要求,设计了一种二维转台系统。本文对该转台进行了结构的拓扑优化设计、有限元仿真及试验验证。首先,通过研究和比较现有的转台方案,确定以基本地平式作为转台的结构形式,选择性能优良的M55J碳纤维复合材料作为转台结构的主要材料,配合TC4镶嵌件来连接部件。根据拓扑优化结果和工程经验,分别完成了转台3个主要部件的蒙皮和加强筋结构设计,得到了总体尺寸为966 mm×400 mm×730 mm、质量为27.3 kg的转台框架。针对此结构进行有限元分析,得到转台整体基频为58 Hz,结构强度和刚度满足设计指标要求。最后,对转台初样进行了抗力学试验和热真空试验。试验结果表明,转台整体的一阶频率为53 Hz,正弦振动前后基频变化在2%以内,随机振动前后基频变化在4%以内,在真空环境中功能正常。该转台整体结构设计合理,性能稳定,能够满足设计指标要求。

二维编织碳纤维缝合线耐磨损性能的研究

针对碳纤维丝束和捻线在纺织预制件或预浸料的缝合过程中易发生起毛、断丝的情况,设计了二维管状编织结构的碳纤维缝合线.采用TM式丝抱合力试验机对不同编织工艺参数的缝合线试样进行耐磨损性能试验,并与丝束试样和捻线试样比较.结果表明:二维管状编织结构碳纤维缝合线的耐磨损性比丝束和捻线有大幅度的提高;直径和花节长度对耐磨次数影响较大,张力300cN时,比花节长度为2.1的试样的耐磨次数为相同细度丝束的4.08倍,张力200cN时,此试样耐磨次数为相同细度丝束的12倍.

用于高性能锂硫电池的二维氮硫共掺杂多孔碳纳米片的快速合成

本工作基于工业炼油产品沥青,开发了一种无金属、氮和硫共掺杂多孔碳纳米片(NSPC)的合成方法。获得的多孔碳纳米片具有高比表面积(339 m^(2)·g^(-1))和优异的固硫能力。同时,高含量氮、硫共掺杂可以有效增强碳材料的导电性,同时促进多硫化物的高效催化转化。通过熔融法固硫后,制备得到的NSPC/S电极具有较高的比容量和优异的循环稳定性(在0.6C电流密度下,200次循环后容量为762 mAh·g^(-1)),实现了高含量氮和硫共掺杂的二维多孔碳材料的快速批量生产并用于高性能锂硫电池正极材料。

二维编织碳纤维增强复合材料管件耐冲击性能研究

对碳纤维复合材料管件进行耐冲击性能测试,分析并讨论了编织节距等参数对碳纤维增强复合材料关键的耐冲击性能影响。结果表明,增强体碳纤维本身表现出的脆性大,使得复合后管件的耐冲击性能表现不明显;节距越小,纱线交织紧密,成为有机的一个整体,耐冲击性能越好。

SnS_(2)/ZIF-8衍生二维多孔氮掺杂碳纳米片复合材料的锂硫电池性能研究

锂硫电池(LSBs)因能量密度高、原料储量丰富、环境友好等优点引起了广泛关注。然而,多硫化物的穿梭效应、反应过程中较大的体积膨胀以及硫较差的电子电导率等缺点极大地限制了其发展。本研究设计了一种SnS_(2)纳米颗粒与ZIF-8衍生的花状二维多孔碳纳米片/硫复合材料(ZCN-SnS_(2)-S),并研究了其作为锂硫电池正极的电化学性能。其独特的二维花状多孔结构不仅有效缓解了反应过程中的体积膨胀,而且为Li+和电子的传输提供了快速通道,杂原子N也促进了对多硫化物的吸附作用。并且负载的极性SnS_(2)纳米颗粒极大地增强了对多硫化物的吸附,从而使ZCN-SnS_(2)-S复合材料表现出优异的电化学性能。在0.2C(1C=1675 mA·g^(–1))电流密度下,ZCN-SnS_(2)-S电极循环100次后仍能保持948 mAh·g^(–1)的高可逆比容量,容量保持率为83.7%。即使在2C的高电流密度下循环300圈,ZCN-SnS_(2)-S电极仍具有546 mAh·g^(–1)的可逆比容量。

二维多孔碳纳米材料提升锂硫电池能量密度

具有高理论能量密度、低成本和环境友好等优点的锂硫（L-S）电池被视为极具开发潜力的下一代二次电池系统.近年来,利用碳/硫复合物作为电池正极材料显著提升了L-S电池的容量和循环寿命.为进一步推动L-S电池的实用化,研究者们致力于设计高硫负载正极以提升Li-S电池的能量密度.

碳纤维增强复合材料含孔层合板损伤破坏分析研究进展

综述了碳纤维增强复合材料含孔层合板损伤破坏以及应力分析的研究进展,介绍了几种含孔层合板的破坏准则和分析含孔层合板损伤破坏的二维以及三维模型,展望了有待于进一步研究的问题。

MoS2/碳纤维对电极的制备及其在DSSCs中的应用

以钼酸、硫氰酸铵和碳纤维(直径0.4mm,长8cm)为原料,采用一步水热法制备了MoS2/碳纤维对电极。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及X射线能谱(EDX)对MoS2/碳纤维的微观组织结构进行了表征。采用循环伏安法(CV)对MoS2/碳纤维对电极的催化活性进行了研究。光电性能测试表明,基于MoS2/碳纤维对电极染料敏化太阳能电池(DSSCs)的光电转换效率为3.26%,大于基于Pt/碳纤维电极的光电转换效率2.93%,为低成本DSSC产业化技术研究奠定了基础。

碳-芳纶二维编织复合材料层板的抗低速冲击性能

为评价不同混杂结构复合材料冲击阻抗的混杂效应,通过引入芳纶纤维增强体制备了层间混杂(IE)、夹芯混杂(SA)、非对称混杂(US)和层内混杂(IA)的碳-芳纶二维编织复合材料,并通过落锤冲击实验研究了混杂结构对其冲击载荷、冲击吸收能量、损伤形貌等性能的影响.实验结果表明:层内混杂(IA)试样具有最高的峰值载荷(4.28 k N),比非混杂结构层板高37.2%;其他混杂结构试样中,峰值载荷均低于非混杂结构层板,层板IE的韧性指数DI值比层板SA的高31.5%,说明层间混杂结构表现出比夹芯混杂结构优良的冲击韧性;但IA的弹性应变能(5.964 J)最大,其他试样弹性应变能(几乎为0)远小于试样IA,表明试样IA在冲击过程中产生了较大的弹性变形,表现出优良的韧性性能.通过超声扫描成像系统观察并评价层板内部冲击损伤及失效机理可知:碳纤维层板产生了较严重的内部损伤,试样SA和试样US侧面产生了分层现象;试样IE的C扫描图像显示试样产生了程度较轻的内部损伤,但和试样IA相比,其蓝色区域分布范围较大;IA试样冲击内部损伤面积较小,说明碳纤维和芳纶纤维相互交织排列的层内混杂结构,表现出较强的塑性变形能力和良好的抗冲击性能.

星载二维转台U型架结构轻量化与优化设计

星载二维转台是空间相机等光电设备的主要承载机构,U型架是转台的关键支撑部件。为了对星载二维转台U型架进行结构优化与轻量化设计,研制高承载比和轻量化的星载二维转台,本文设计了一种用于星载二维转台的碳纤维复合材料U型架。首先,利用碳纤维复合材料代替钛合金材料,结合考虑工艺性,设计了一种变截面管状结构U型架。接着,按照基于铺层工艺的有限元建模方法对碳纤维U型架进行有限元建模与仿真分析。然后,试制U型架样机并通过模态试验验证有限元模型的准确性。最后,提出一种理论分析法、遗传算法、有限元法相结合的三级优化方法对碳纤维U型架铺层角度、铺层厚度与铺层顺序进行优化设计。结果表明:模态试验与仿真得到的U型架振型完全一致,频率相差在5%以内。初始设计的碳纤维U型架比钛合金U型架质量减少了45.7%,通过对复合材料铺层的优化设计,使U型架质量进一步减少了13.8%,固有频率提升了10.14%。本文所采用的复合材料建模与优化方法正确,设计的碳纤维U型架满足星载二维转台轻量化设计需求。

碳纤维复合材料表面形貌测量采样条件研究

采样条件的确定对表面微观几何形状误差评定的准确性有重要影响。针对现实中用户依据自身经验选择采样条件的不确定性,提出了一种能够客观判定最佳采样条件的方法。基于二维功率频谱分析,考虑奈奎斯特采样定理与混叠效应,提出一个归一近似因子来确定合适采样条件。经实验验证其适用于碳纤维复合材料表面形貌测量,研究证明用较大采样间距多次测量加工后工件的表面形貌,取粗糙度值的平均值或St、Sp和Sv取最大值来评定其表面质量更合理。

sp^(2)碳连接的二维聚合物

二维多孔聚合物具有光学各向异性、高的电子迁移率、可逆的氧化还原等众多特性,因此它们作为关键材料用于气体吸附与分离、燃料电池膜、超级电容器等领域。这类二维多孔聚合物通常可分为二维金属-有机骨架、二维共价有机骨架、石墨化氮化碳、石墨炔和三明治型多孔聚合物纳米片。其中,sp2杂化碳(Csp2)连接的二维多孔聚合物是新兴的研究领域。与C―N、B―O和C≡C键连接的二维多孔聚合物相比,Csp2-二维聚合物因其高的电子迁移率和可调的带隙而具有独特的光电性质、高的化学/光稳定性和可调的电化学性质。此外,Csp2-二维多孔聚合物是制备过渡金属单原子的2D多孔碳材料的重要前驱体之一。总结了Csp2-二维多孔聚合物的可控合成方法,并讨论了它们在光电器件、气体分离、发光传感和成像、电化学能源存储和光催化等领域的应用情况。

多孔碳柱撑膨润土的制备与表征(英文)

用十六烷基三甲基溴化铵和苄基三甲基氯化铵改性膨润土制备了多孔碳柱撑膨润土。用Fourier变换红外光谱仪、扫描电子显微镜和氮气吸附–脱附、热分析系统地研究了有机改性剂对多孔材料性能的影响。结果表明:膨润土微粒与有机改性剂以共价键和离子嵌入2种形式结合;多孔碳柱撑膨润土的微观形貌呈针片状,最可几孔径分布大约在1.7nm;多孔材料的主要结构是由碳化的大粒子柱撑而构建的二维孔径,烧结后的有机黏土热稳定性大大提高。

二维编织复合材料在正交切削中的切削力和加工表面质量研究

二维编织碳纤维复合材料因其具有优异的力学性能和耐疲劳、耐冲击等特点被广泛用于制造各类复合材料结构件中。但是由于二维编织碳纤维复合材料的多相性和特殊的纤维结构,其机械加工性能与传统金属材料和单向纤维复合材料差异较大。为了研究二维编织碳纤维复合材料的切削性能,提高加工效率和加工后的表面质量,基于正交切削实验对二维编织碳纤维复合材料在切削过程中的切削力进行测试,并利用金相显微镜和粗糙度轮廓仪来表征加工表面质量。实验结果显示,正交切削过程中纤维方向角度对切削力的大小影响巨大,当切削速度提高和切削深度降低时,复合材料展现了更好的切削性能,并且加工后的表面质量更高。

多孔碳及其复合材料在超级电容器中的研究进展

多孔碳超级电容器具有比电容高和循坏寿命长等优点,是当前研究和应用最广泛的一类超级电容器材料。综述了多孔碳材料的不同制备方法和多样化的多孔碳材料前驱体,并介绍了掺杂石墨烯、过渡金属氧化物(TMDs)、过渡金属碳化物或氮化物(MXene)及杂原子等手段来改善碳基电极的离子传输能力,对其在电容器中的应用进行了总结。

石墨烯基氮掺杂多孔碳的制备及其储能性能

以氧化石墨烯为结构诱导试剂,以葡萄糖酸锌为碳源,尿素为氮源制备二维氮掺杂多孔碳。氧化石墨烯可以诱导二维结构的形成,并且高温炭化得到的石墨烯可有效地改善多孔碳材料的电子传输能力,葡萄糖酸锌中的锌离子可在高温下挥发继而作为造孔剂改善多孔碳的孔道结构,而尿素引入的氮原子可以提供赝电容改善电化学性能。通过尿素用量以及炭化温度的调控,优化二维氮掺杂多孔碳的制备条件,以其作为电极材料应用于超级电容器中,展现了优异的性能。结果表明:在0.1A/g的电流密度下,二维氮掺杂多孔碳电极展现了176.8F/g的容量,在10A/g下依旧可以保持71.9%的倍率。以二维氮掺杂多孔碳为电极制备的对称电容器在5A/g的电流密度下循环10000次后依然可以保持初始容量的80.4%,展现了优异的循环稳定性。

B/N共掺杂多孔碳片的制备及其储钾性能

以甘氨酸为碳源和氮源、硼酸为模板和硼源,采用一步碳化法制备了二维B/N共掺杂多孔碳片(BNCSs)。通过水洗即可除去硼酸模板,合成方法绿色环保。BNCSs上短的孔道缩短了钾离子的传输距离,丰富的微孔提供了大量的储钾活性位点。此外,BNCSs中较高的B/N掺杂量提升了碳基质的缺陷度,扩大了碳层间距,有利于钾离子的吸附、嵌入和脱嵌。钾离子半电池性能的测试结果表明,BNCS800电极展现出高的比容(在0.05 A/g电流密度下为310 mA·h/g)、优异的倍率性能(在2 A/g电流密度下为100 mA·h/g)和良好的循环稳定性(在1 A/g下循环1000次后容量保持率为75.9%)。

泡沫状二维复合材料的合成及超级电容器性能

利用蔗糖和乙醇作为碳源,以氯化镍高温还原形成的镍颗粒作为模板,制备了泡沫状石墨烯多孔材料。继而以其作为载体,通过浸渍和高温热解法制备了泡沫状Mo S2/石墨烯二维复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱、X射线衍射(XRD)等技术手段研究了复合材料的形貌、组成和结构。循环伏安、恒流充放电和循环寿命测试均表明,该材料具有良好的超级电容器性能,质量比电容达203.5 F/g,面积比电容达280 m F/cm2,5000次恒流充放电循环后的电容保持率约80%。