纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料及其负极结构锂离子超级电容器

通过湿法纺丝工艺成功制备了纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料,并对其进行形貌表征与电化学性能测试。纳米硅颗粒嵌入石墨烯层间褶皱的结构具有限制硅材料在储锂过程中体积膨胀的作用,适于作为锂离子电容器负极。同时,研究了锂离子电容器多孔活性炭正极材料的双电层电容特性,通过组装成对称超级电容器,对其电化学性能进行测试,并结合材料的形貌,分析其作为锂离子电容器正极的合理性。为使正负极电荷匹配,分别对负极硅碳纤维和正极活性炭材料组装的锂离子半电池的倍率、循环稳定性、电化学阻抗等电化学性能进行了测试。结果表明,纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料的比容量最高可达826.2 mA·h/g(在电流密度为0.2 A/g时),活性炭比容量可达39.9 mA·h/g。组装成的锂离子电容器在合理的匹配条件下,充放电首圈循环比容量可达58.2 mA·h/g (在电流密度为0.2 A/g时),能量密度为26.8 W·h/kg,循环100圈后,比容量保持率降至41.7%。

基于碳纳米管/石墨烯界面修饰的碳纤维增强复合材料中力-电耦合关系探究

碳纤维和树脂基体的界面性能直接决定了复合材料的应用表现。通过电化学沉积法将碳纳米管和石墨烯接枝在碳纤维表面,模拟生物体的神经网络结构形成多尺度的三维碳材料网络。随后对碳纤维复合层压板的力学和电学性能进行测试,研究发现,改性后的界面增强了碳材料与树脂基材的接触面积,有效提高了碳纤维和树脂间的界面结合力。此外,复合材料的电阻随着碳纳米管/石墨烯质量分数的增加而不断减小,并且拉伸后复合材料的电阻率比拉伸前增大,表明层压板的电阻与其表面结构存在直接关系。该研究为拓展酚醛树脂复合材料的功能化和力-电耦合应用领域提供了新思路。

碳纳米管/石墨烯协同改性碳纤维复合材料的制备及性能

利用偶联剂(KH570)改性的石墨烯(GO)和酸化的多壁碳纳米管(MWCNTs)协同改性聚丙烯腈(PAN)基碳纤维制备得到PAN/MWCNTs/GO基碳纤维(MPG),以此为原料,采用湿法造纸技术,制备PAN/MWCNTs/GO基碳纤维复合材料(MPG-P)。利用傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜,对MPG纤维进行表征,并利用四探针测试仪、万能试验机和多孔材料分析仪,研究了MPG-P材料的导电性能、力学性能、孔径分布以及孔隙率。结果表明,当MWCNTs/GO含量为0.2%(质量分数,下同)时,MPG-P表现出最佳的拉伸强度(37.21MPa),电阻率为13.17mΩ·cm,孔隙率为63.7%;当MWCNTs/GO=1/2(质量比,下同)时,表现出最佳的拉伸强度(40.13 MPa),比纯PAN复合材料(30.18 MPa)提高了32.97%,电阻率为13.52mΩ·cm,孔隙率为65.2%。

电泳沉积碳纳米管和氧化石墨烯修饰碳纤维表面的研究进展

针对碳纤维表面极性官能团少,化学活性低,与基体间的界面结合强度弱等问题,综述了国内外关于电泳沉积碳纳米管和氧化石墨烯修饰碳纤维提高其复合材料力学性能的最新研究进展。阐述了在不同的电泳沉积工艺下,分别在碳纤维表面引入碳纳米管和氧化石墨烯,对修饰碳纤维表面及其复合材料力学性能的影响。总结了影响电泳沉积修饰碳纤维效果的因素,并提出了相应的建议。展望了电泳沉积修饰碳纤维表面的研究发展方向,指出对碳纤维、碳纳米管和氧化石墨烯进行预处理,添加辅助工艺的电泳沉积设备制造将会成为未来的重要研究方向。

石墨烯纳米带作为复合纤维和织物的填充物具有广阔前景

石墨烯纳米带(GNR)/碳复合纳米纤维纱是由氧化石墨烯纳米带(GONR)/聚丙烯腈(PAN)复合物静电纺,然后成功地进行加捻和碳化制得的。电子显微照片分析显示在静电纺纤维中均匀分布的纳米带沿纤维轴向高度取向。低质量分数的GONR提高了聚合物复合纳米纤维纱的力学性能。此外,碳化过程会显著增强力学和导电性能。目前,对GNR/碳复合纳米纤维的优化还没有完成。人们希望通过优化静电纺丝的条件(如在纺丝溶液中添加更多的分散均匀的或更大长径比的GONR)及碳化条件来获得更好的物理性能。GNR复合(纳米)纤维和织物可以用来增强轻质复合物。GNR/碳复合物尤其可用作燃料电池、蓄电池、超级电容器、纤维和织物型太阳能电池中的高性能电极,也可用于柔性和可穿戴的电子器件及可植入的医用设备。

硫化钼/石墨烯/碳纳米纤维复合材料及其制备方法

专利申请号:CN201510697927. X公开号:CN105304876A申请日:2015. 10. 25公开日:2016. 02. 03申请人:复旦大学本发明属于过渡金属硫化物-碳材料技术领域,具体为一种硫化钼/石墨烯/碳纳米纤维复合材料及其制备方法。本发明的制备方法包括:通过静电纺丝制备得到聚丙烯腈纳米纤维,经过机械搅拌和冷冻干燥制备氧化石墨燦/聚丙烯腈纳米纤维气凝胶,再通过高温碳化制备得到石墨燦/碳纳米纤维气凝胶,最后通过一步水热法在石墨燦/碳纳米纤维气凝胶上原位生长硫化钼纳米片.

石墨烯和多壁碳纳米管改性环氧胶粘剂性能的实验研究

为了提高环氧胶粘剂的粘接性能和热学性能,采用石墨烯和多壁碳纳米管(MWCNTs)分别单独改性和按照比例(1∶1)混合改性环氧胶粘剂。制备了碳纤维增强复合材料层合板的单搭接剪切试样,通过拉伸实验测试了改性前后胶粘剂的剪切强度;运用扫描电子显微镜(SEM)分析了改性胶粘剂的胶层断裂机理;结合热失重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)研究了纳米材料改性对环氧胶粘剂热学性能的影响。结果表明:石墨烯和MWCNTs改性提高了环氧胶粘剂的界面粘附力和剪切强度。此外,改性具有协同作用。当添加0.5wt%石墨烯和MWCNTs混合改性时,剪切强度达到最强,提高34.52%,在此最优含量下,改性环氧胶粘剂的分解温度也最高,因此热稳定性最好。但是,纳米材料的改性受到团聚的影响,含量过高时,增强效果呈现降低趋势。DSC结果表明,石墨烯和MWCNTs改性基本不会影响环氧胶粘剂玻璃转变温度。

碳纳米(石墨烯)材料专栏导语

碳纳米(石墨烯)材料作为一种国家战略性新兴材料,因其比表面积大、强度高、导电导热性优异及透光性高等优势,在轻量化材料、动力电池、电磁屏蔽材料、散热材料等领域得到广泛应用。目前,碳纳米(石墨烯)材料已成为宇航推进领域技术应用所关注的热点,并在固体推进剂性能提升与降感、超高温绝热阻燃材料改进、内外防热涂层性能提升、高性能树脂以及有机纤维复合材料在特种环境下性能提升等方面初露锋芒。本刊策划碳纳米(石墨烯)材料在宇航推进领域的应用文章专栏,与读者分享石墨烯制备及其在含能材料、复合材料中的应用进展,本期首次刊载5篇,后续将连载。

《固体火箭技术》碳纳米(石墨烯)材料技术专栏征稿启事

碳纳米(石墨烯)材料作为一种战略性新型材料,因其比表面积大、强度高、导电导热性能优异及透光性高等特点,在轻量化材料、动力电池、电磁屏蔽材料、散热材料等领域具有巨大的应用前景。目前,碳纳米(石墨烯)材料已成为空天推进与动力领域高技术研究与应用的热点,在固体推进剂性能提升与降感、超高温绝热阻燃材料改进、内外防热涂层性能提升、高性能树脂、C/C、Si/C以及有机纤维复合材料在特种环境下性能提升等方面初露锋芒。为展示碳纳米(石墨烯)材料最新研究成果,《固体火箭技术》特别邀请专家组织一期碳纳米(石墨烯)材料在空天推进与动力领域的应用技术专栏,以期推动该材料应用技术水准和应用范围上一新台阶。

中国两机构共同研制石墨烯纳米增强新型复合材料

近年来,碳纤维复合材料由于质量轻、耐高温等特点,在航天航空等众多领域越来越受到垂青。最近,中国运载火箭技术研究院研发中心与哈尔滨工业大学共同研制出“石墨烯纳米增强新型复合材料”,该材料在传统碳纤维复合材料的基础上,力学性能提升了10%以上,开启了碳纤维复合材料新革命。据项目负责人吴迪介绍,石墨烯纳米增强新型复合材料,就是在碳纤维复合材料中,增加了纳米级的石墨烯,进一步提高了碳纤维复合材料的韧性、强度、刚度等性能。与传统碳纤维复合材料相比,除了力学性能的提升,它还具有以下几方面的优点:(1)导电性能好。

氧化石墨烯-碳纳米管复合膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的层间性能一直是材料的性能短板,本文利用氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)设计制备了具有一定渗透性和树脂浸润性的复合膜,采用层间增韧方法,制备了GO-CNT复合膜改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,通过张开型Ⅰ型层间断裂韧性(G_(ⅠC))与滑移型Ⅱ型层间断裂韧性(G_(ⅡC))对GO-CNT-CF/EP复合材料的层间韧性进行了研究,并结合复合材料的破坏微观形貌和损伤/破坏特征分析了GO-CNT复合膜对复合材料的层间增韧效果及增韧机制。结果表明:GO与CNT质量比为3∶7时制备的复合膜具有良好的成膜工艺性和树脂浸润性,EP与GO-CNT复合膜的接触角远低于其与纯GO膜的接触角,并且GO与CNT结构中的羟基、羧基、环氧基等含氧基团增加了它们与EP的物理亲和性和化学作用,有利于复合材料层间GO-CNT/EP微区结构的强韧化。GO-CNT复合膜对复合材料的张开型层间断裂韧性G_(ⅠC)没有增强效果,甚至复合材料的G_(ⅠC)值还发生了轻微下降。而GO-CNT复合膜对复合材料的滑移型层间断裂韧性G_(ⅡC)具有良好的改善作用。复合材料的G_(ⅡC)从CF/EP复合材料的1855 J/m~2提高到GO-CNT-CF/EP复合材料的2720 J/m~2,提高了47%。这归因于GO-CNT复合膜和树脂间形成的相互穿插交叠的网络结构抑制了滑移型破坏载荷导致的层间微裂纹的扩展。GO-CNT/EP复合材料具有和CF/EP基本相当的玻璃化转变温度。

碳/铝复合材料界面Al_(4)C_(3)相的形成与调控研究进展

石墨烯、碳纳米管和碳纤维等碳材料作为铝基复合材料的增强体时,其界面润湿性差、与Al基体结合弱等缺点限制了其增强效果。利用C与Al反应使界面黏接形式转变为部分反应结合的形式,可有效提升碳/铝(C/Al)界面强度及其载荷与功能传递的效率。然而,高温下C/Al界面反应易生成大量脆性Al_(4)C_(3),且会损伤增强体。针对C/Al界面Al_(4)C_(3)的调控,本文首先介绍了其形成机制、对C/Al复合材料界面结合和性能的作用,随后从碳增强体表面涂层、纳米颗粒修饰、Al基体合金化,以及复合制备、热加工与处理工艺优化等方面,综述了Al_(4)C_(3)生成量与形貌的控制研究及效果,最后展望了C/Al复合材料界面与性能的研究方向,以期通过碳增强体跨尺度设计与界面构型控制,挖掘石墨烯、碳纳米管和碳纤维增强Al基体的最大潜能。

锂碳复合材料研究进展

金属锂具有较高的理论比容量和较低的密度,将其作为负极材料,电池将获得较高的能量密度。然而,在实际应用中受不可控的锂枝晶、非活性锂的形成和积累、锂的体积膨胀及不稳定的固体电解质膜等因素的影响,限制了金属锂的商业化应用。将金属锂与碳材料复合制备锂碳材料可有效缓解上述问题。锂碳复合材料包括锂-石墨烯复合材料、锂-石墨复合材料、锂-碳纤维复合材料和锂-碳纳米管复合材料等。分类介绍了锂碳复合材料及其制备方法和电化学性能,并指出每类锂碳复合材料的优势和存在的问题,最后展望了未来锂碳材料的发展方向。

纳米碳材料及其聚合物复合材料的辐射加工

本文讨论了纳米碳材料的辐射效应,评述了纳米碳材料辐射改性的研究进展,并还介绍了辐射法制备纳米碳材料/聚合物复合材料的进展。

碳纳米材料表面改性碳纤维及在环氧树脂中的应用

以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,通过超声的方法分别制备含多壁碳纳米管(MWCNTs)或石墨烯纳米片(GnP)的碳纳米材料表面改性剂,采用浸渍法对预处理碳纤维(CF)(去浆CF)进行改性使碳纳米材料均匀涂覆在纤维表面上,然后采用手糊成型及热压成型工艺制备环氧树脂(EP)/改性CF复合材料,利用扫描电子显微镜和电子万能试验机分析碳纳米材料表面改性剂制备条件对CF表面形貌、复丝拉伸性能的影响,在此基础上,选择各自的最佳表面改性剂制备条件,对比了含MWCNTs或GnP的表面改性剂改性CF对复合材料力学性能的影响。结果表明,碳纳米材料在表面改性剂中的分散状态直接影响CF表面碳纳米材料分布的均匀性和复合材料的性能。超声时间为2h的含MWCNTs表面改性剂和GnP质量分数为0.5%的含GnP表面改性剂对CF的改性效果较好,相应复丝的拉伸强度与去浆CF复丝相比分别提高了59.4%和70.2%,而相应复合材料的弯曲强度相对于EP/去浆CF复合材料分别提高了11.2%和41.1%,层间剪切强度分别提高了35.8%和71.3%。

含石墨烯导电吸波复合材料的研究进展

针对电子设备在运行时产生的电磁污染和电磁干扰等现状,吸波材料能将电磁能转化为热能、机械能等其他形式的能量而受到关注。文章首先介绍了石墨烯的结构及其吸波机理;其次探讨了石墨烯/碳纳米管、石墨烯/碳纤维、石墨烯/聚苯胺吸波复合材料的吸波性能;最后总结了三类吸波复合材料的联系与区别,并展望了石墨烯吸波复合材料在未来的发展和挑战。

新型碳纳米材料/聚合物吸波材料研究进展

传统的吸波材料由于密度大、吸收频带窄使其应用受到限制,新型吸波材料的探索和研究将成为吸波材料领域的主要发展方向。本文介绍了新型碳纳米材料(碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯)在聚合物吸波材料中的应用,展望了碳基吸波材料的发展前景。

碳纤维纸基复合材料研究进展

碳纤维纸基复合材料是使用短切碳纤维与植物纤维或含有羟基等功能基团的纤维,通过湿法造纸工艺制备的具有特殊性能的功能复合材料,在导电、电磁屏蔽,导热,摩擦及电极等领域均已得到应用。随着应用推广的不断深入,引入碳纳米管/石墨烯的碳纤维纸基复合材料的研究和开发也逐渐成为研究热点。本文对近年国内外碳纤维纸基复合材料的研究进展进行了归纳总结,以期为碳纤维纸基复合材料的研究开发提供参考。

不同形状特征的碳基复合材料吸波性能分析

基于短切碳纤维、碳纳米纤维、石墨烯及炭黑,分析研究碳基复合材料中吸收剂形状比对电磁特性,尤其是吸波性能的影响。采用矢量网络分析仪测试基于不同形状比吸收剂形成碳基复合材料的电磁参数,并且计算出样品理论反射损耗。结果发现,随着频率的增加,碳基复合材料的介电常数逐渐减小;碳纳米纤维样品厚度为2 mm,在8 GHz时反射损耗达到-8 d B;炭黑与石墨烯质量比为1∶1时,在0. 5~12. 8 GHz频段内损耗角正切tanδ随频率的增大而增大且样品厚度为2mm时,其在12~16. 2 GHz反射损耗小于-10 d B,且在12. 8 GHz时反射损耗达到-22. 5 d B。通过对不同形状比吸收剂形成碳基复合材料的电磁参数分析,发现具有一定长径比或较大比表面积的吸收剂复合有利于提升碳基复合材料的吸波性能。

碳及环氧树脂基碳复合材料的研究进展

石墨烯、碳纤维、碳纳米管等碳纳米材料由于具有优异的强度、韧性、导电性等诸多性能,成为改性环氧树脂等聚合物的理想填料。本文首先对碳系纳米材料及其主要应用领域进行了分类介绍,然后对环氧树脂基碳复合材料的研究现状进行了阐述,最后对其发展方向进行了展望。