硅/碳纳米管/碳复合材料的制备及其电化学性能研究

硅负极材料具有高理论比容量和较低锂化电位,被认为是最有应用潜力的锂离子电池负极材料之一。但硅负极材料导电性差、体积效应显著,因此其商业化应用受到限制。选用具有高导电性、高机械强度的多壁碳纳米管,利用简便、易操作的球磨方法制备了具有三维导电网络的硅/碳纳米管/碳复合材料。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电池测试系统对复合材料的微观形貌、结构及电化学性能进行了分析和测试。结果表明,硅/碳纳米管/碳复合材料中球磨纳米硅分布均匀,具有稳定的导电网络并表现出优异的电化学性能。因此,球磨法制备硅/碳纳米管/碳复合材料具有潜在的商业化应用价值。

碳纳米管对酚醛树脂基复合材料性能的影响

为制备具有隔热、耐烧蚀、电磁屏蔽等多功能集成的结构复合材料,满足武器装备对多功能复合材料的迫切需求,采用超声波分散的工艺将碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)在树脂基体中进行分散,并制备CNTs改性国产碳布/酚醛复合材料。经对CNTs改性国产碳布/酚醛复合材料的层间性能检测,当CNTs含量达到1.5%时,其层间剪切强度提高57.4%。对CNTs改性定向国产碳纤维/酚醛树脂复合材料的弯曲性能、层间性能和抗冲击性能都进行检测。检测结果表明,经CNTs改性后,定向国产碳纤维/酚醛复合材料的力学性能和模量均得到了大幅提高。对CNTs改性短切高强玻璃纤维/酚醛树脂基复合材料的导电性能和导热性能进行了研究。研究结果表明:随着CNTs含量的提高,短切高强玻璃纤维/酚醛树脂基复合材料的电阻率呈数量级速度降低,当CNTs含量达到14%时,复合材料的电阻率由10^(10)Ω·m降低到了10^(-2)Ω·m,复合材料由绝缘体转变为导体;当CNTs含量小于6%时,复合材料的导热系数虽有提高,但与复合材料电性能相比提高幅度不大。

多孔硅碳复合材料的制备及性能改善

硅基负极材料存在体积膨胀、表面稳定性差和导电性低的问题。通过硅形貌调控、立体导电网络构筑、多孔结构构造和碳包覆的方法,制备了多孔硅碳复合材料。基于硅不同晶面离解能的不同,球磨获得硅纳米片。将含硅纳米片、碳纳米管(CNT)和石墨的浆料,喷雾干燥,获得硅纳米片和CNT自组装形成多孔结构。对多孔结构进行液相碳包覆,使多孔结构内的纳米硅和整个多孔结构表面形成碳包覆层,获得多孔硅碳复合材料。扣电测试显示,该材料可逆比容量为1000.8 mAh/g,首次循环效率高达93.9%,全电测试显示优异的1 C特性和较好的循环稳定性,这主要得益于立体导电网络的构建、多孔结构的构造和双重碳包覆的形成,提高了硅基材料的导电性,缓解了体积膨胀,提高了表面稳定性。

碳纳米管/导热硅脂复合材料的导热性能

为了提高导热硅脂的导热性能,本文研究了一种新型的碳纳米管/导热硅脂复合材料。研究结果表明,酯化处理后的碳纳米管有利于其在导热硅脂中的分散,并由此在导热硅脂中形成一个有效的导热网络,达到提高导热硅脂导热性能的目的。

分子动力学模拟在碳材料增强复合材料中的研究进展

综述了近年来国内外学者使用分子动力学模拟对碳纳米管、碳纤维和石墨烯增强的两相及三相树脂基复合材料进行研究的进展。分别对界面结合能、基体分散、聚合物构象等方面的模拟计算进行概述,归纳总结了分子动力学模拟在树脂基复合材料中所能解决的各类技术难题,并对其应用前景和发展趋势进行了展望。

生物质碳-硅复合负极材料的电化学性能

生物质碳具有独特的孔结构,较大的层间距,可加速Li+在无定形碳中的扩散速度。采用纳米硅、沥青、生物质碳,通过喷雾造粒、高温热解法制备生物质碳-硅复合负极材料。通过XRD、SEM、表面分析研究材料的表面形貌特征;通过恒流充放电等实验研究电化学性能。该材料制备扣式电池的首次充电比容量达到1 692.5 mAh/g,首次库仑效率为90.7%。制备的18650型电池在2.75~4.20 V循环,以1.00 C循环616次的容量保持率为91.44%;以0.50 C充电、1.00 C放电循环447次的容量保持率为94.48%,高于沥青碳-硅复合材料的84.90%和91.98%,说明该材料的倍率性能较好。

碳纤维增强树脂基复合材料的层间颗粒增韧技术研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高强高模的优点,被广泛应用于汽车、体育、船舶、航空航天等领域,达到了材料轻量化的要求。目前使用较多的树脂基体以环氧树脂(EP)等热固性树脂为代表,普遍存在脆性大、韧性差的问题,导致复合材料层合板容易在层间发生开裂。层间增韧是一种有效的增韧方式,它可以在不改变基体树脂粘度的情况下对特定区域进行增韧,提高材料的断裂韧性。本文介绍了层间断裂模式并总结了层间断裂韧性(ILFT)测试的数据处理方法,总结了聚合物颗粒与无机纳米颗粒(主要是碳纳米管)的颗粒种类、增韧机制、引入方式,并主要通过层间断裂韧性评价了各种颗粒的增韧效果。

橡胶改性碳纤维-多壁碳纳米管水泥复合材料性能试验与分析

水泥基复合材料已推广应用于水利工程中,探究其耐久性能是保证高寒地区高混凝土坝安全的关键。将碳纤维与多壁碳纳米管双导电相填料加入水泥材料,从导电性能、力学性能和抗冻性能3个方面研究其作用效果。同时,为充分利用废弃资源,将废弃轮胎制备成橡胶集料加入试件用于力学性能和抗冻性能的试验分析。试验结果表明:当碳纤维与多壁碳纳米管掺量为0.25%时,导电相填料对水泥复合材料的电阻率改变最为明显,在掺量为0.3%时复合材料的电阻率最低,同时,不同外加电场对电阻率的影响可以忽略不计;当碳纤维和多壁碳纳米管的掺量为0.3%、橡胶掺量为30%时,复合材料的抗冻性能最佳,此时,力学性能也满足工程应用需求,抗折和抗压强度分别超过7 MPa和30 MPa。研究结果为提升高寒地区混凝土结构的性能提供了新的技术手段。

锂离子电池用聚多巴胺衍生碳包覆硅纳米颗粒复合材料的制备与性能

实现新型高理论比容量负极材料的应用是开发新一代高能量密度锂离子电池的关键。硅具有4 200 mA·h/g的高理论比容量,远高于商业化石墨负极的比容量,因此在高能量密度锂离子电池的开发中有很好的应用前景。然而硅导电性差,在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀而使电极粉化,造成电池性能急剧下降。基于此,本文以聚多巴胺(PDA)作为碳源,采用自模板法成功制备了具有中空结构的硅/碳复合材料(Si@void@C-PDA),主要步骤如下:先利用多巴胺(DA)与Si亲和力较高的特性,在纳米Si颗粒表面原位聚合形成PDA包覆层(对应样品记为Si@PDA),然后通过碳化来实现对硅材料的碳包覆改性(对应样品记为Si@C-PDA),最后采用Na OH溶液对Si@C-PDA进行蚀刻,得到具有中空结构的Si@void@C-PDA。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析了上述材料的结构,结果显示经过Na OH蚀刻后成功制备了具有中空结构的硅/碳复合材料。对材料进行电化学性能研究的结果表明,改性后的硅材料在电池中的界面阻抗明显降低。进一步的倍率性能测试表明,Si@void@C-PDA表现出了更高的可逆容量。在0.5C倍率下充放电循环120次以后,Si@void@C-PDA和Si的可逆容量分别为1 290 mA·h/g和848 mA·h/g。这些结果都表明采取自模板法中空结构的改性策略有助于提高硅基负极材料的电化学性能,对推动硅负极材料在新一代高能量密度锂离子电池的应用提供了设计参考。

改性碳系填料填充聚合物基电磁屏蔽复合材料的研究进展

为了满足电子设备轻量化和高度集成化发展的趋势和社会健康需求,轻量化、低成本、耐腐蚀的电磁屏蔽材料日益受到青睐。碳系导电填料,尤其是碳纳米管和石墨烯,在聚合物基电磁屏蔽复合材料中应用广泛。但碳系导电填料颗粒的应用通常因其在聚合物基中有限的分散性使得它们与聚合物基体的相互作用受到障碍,从而对电磁屏蔽效能产生不利影响。文中综述了碳纳米管和石墨烯及相关复合材料的典型改性方式及其电磁屏蔽性能,旨在为其在聚合物基电磁屏蔽复合材料中的应用提供良好的设计思路。

含动态二硫键与硅氧键的环氧树脂复合材料的制备与表征

作为一类新兴的聚合物材料,类玻璃高分子(vitrimer)由于其交联网络中含有可动态交换的可逆共价键,可在外加刺激下展示出动态的特性而不影响交联网络的完整性,从而既具有热塑性材料的可加工性又具有热固性材料的交联结构,能够减少塑料废弃造成的环境污染和资源浪费,因而备受关注。为了有效改善因热固性环氧树脂不可回收而造成的环境问题,通过一锅法将硅氧键和二硫键引入环氧树脂交联网络,制备了一系列含双重动态共价键的多壁碳纳米管(MWCNTs)/vitrimer复合材料(EPGCSLx)。研究了MWCNTs不同掺杂量下材料的导电性、热力学性能、自修复性能、再加工和可降解性。结果表明,EPGCSL5(MWCNTs质量分数为5%)具有良好的导电性(电导率为2.09 S/m)和力学性能(拉伸强度为8.12 MPa,断裂伸长率为84.67%)。EPGCSL5还具有可再加工性、可降解性和光热性能,充分结合了vitrimer和环氧树脂复合材料的优点。此外,EPGCSL5被制备成人体运动传感器,证明了其作为运动传感器的应用潜力。

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。

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。

硅改性酚醛/碳纤维复合材料的制备及烧蚀性能

针对酚醛树脂(RF)耐热性不足、抗烧蚀性能差,且SiO_(2)粒子与酚醛树脂相容性的问题,采用共凝胶法制备纳米级的SiO_(2)/RF杂化气凝胶,通过构建凝胶网络互穿结构,增加两相相容性,探究SiO_(2)/RF杂化气凝胶的微观结构、化学结构和热物理性能。制备得到硅改性酚醛/碳纤维复合材料,并对改性前后复合材料的烧蚀性能进行比较。结果表明,不同硅含量的杂化气凝胶具有凝胶骨架和孔隙双连续的结构特性,密度分别在0.145~0.160 g/cm^(3)之间。随着硅含量提高,杂化气凝胶残留率增加,Si—O键吸收振动峰更明显,但XRD无衍射峰。综合考虑孔径分布及热物理性能,选取性能最优的杂化气凝胶制备硅改性酚醛/碳纤维复合材料,改性后复合材料的质量烧蚀率为0.046 g/s,线烧蚀率为0.074 mm/s。与未改性的复合材料相比,质量烧蚀率降低了20.7%,线烧蚀率降低了21.3%,改性后材料的抗氧化性和烧蚀后的残留率得到明显提升。

碳纳米管用于聚合物基复合材料健康监测的研究进展

碳纳米管因其优异的机电特性,在聚合物基复合材料的健康监测方面具有广泛的应用前景。综述聚合物基复合材料中碳纳米管传感的最新进展:碳纳米管与树脂共混、碳纳米管涂层纤维、碳纳米线和碳纳米纸。利用碳纳米管传感网络来监测结构应变损伤是不同碳纳米管传感的核心原理。碳纳米纸可以解决碳纳米管与树脂共混时的难分散、碳纳米管涂层纤维的协同变形和碳纳米线的全结构监测等问题,为碳纳米管传感工程化应用提供了条件。实现碳纳米管传感在聚合物基复合材料健康监测领域的工程化应用是未来的发展方向。

基于水凝胶衍生的硅/碳纳米管/石墨烯纳米复合材料及储锂性能

通过氧化石墨烯(GO)和壳聚糖(Cs)之间的氢键以及静电作用形成GO水凝胶,从而将纳米硅颗粒和碳纳米管(CNT)原位包封于其中,再经冷冻干燥及随后的热处理制得三维硅/碳纳米管/石墨烯(Si-CNT@G)纳米复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TGA)等技术对制得样品的物相、结构和微观形貌等进行了表征。结果表明,所得复合材料在CNT纵横交织的石墨烯网络中,均匀地分布着纳米硅颗粒。当作为锂离子电池的负极材料时,在两种碳介质的协同作用下,有效缓冲硅材料在充放电过程中脱/嵌锂引起的体积变化,缩短了锂离子和电子传输的距离,Si-CNT@G复合材料表现出较好的循环稳定性以及倍率性能。在500 m A·g^-1的充放电电流密度下,经过200圈循环后,其放电比容量仍高达673.7 m Ah·g^-1,容量保持率高达97%;即使将充放电电流密度升至2000 m A·g^-1时,该复合材料仍保持有566.9 m Ah·g^-1的高可逆放电比容量。独特的制备方法和优越的储锂性能,使得Si-CNT@G纳米复合材料成为理想的高性能锂离子电池负极材料的候选.

含碳纳米管上浆剂的制备及对碳纤维/环氧树脂复合材料界面的影响

首先采用"Friedel-Crafts"酰化反应制备羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)并将其与环氧树脂、丙酮混合制成含MWCNTs的上浆剂,然后用该上浆剂浸渍碳纤维制备碳纳米管/碳纤维多尺度增强纤维。采用扫描电镜研究了上浆处理对碳纤维表面形貌的影响,采用短臂梁剪切测试方法研究了含碳纳米管的上浆剂对碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明,碳纳米管在上浆剂中的分散状态直接影响纤维表面碳纳米管分布的均匀性;与未浸渍的碳纤维相比,含碳纳米管上浆剂浸渍后的碳纤维/环氧树脂复合材料的ILSS提高了34.33%。通过上浆剂红外光谱表征、纤维束表面浸润性测试及ILSS试样端口形貌的观察,分析了层间增韧机理。研究表明,碳纤维束表面浸润性的提高以及碳纤维/环氧树脂界面处化学键合作用增强,是ILSS提高的主要原因。

碳纳米管改性环氧树脂/碳纤维复合材料的界面性能

采用碳纳米管对环氧树脂体系以及碳纤维进行改性处理,得到四种试样,即CNTs-00(不添加碳纳米管)、CNTs-01(碳纳米管与活性分子预反应)、CNTs-02(碳纳米管与树脂体系直接混合)、CNTs-03(碳纤维表面生长碳纳米管)。采用视频接触角测量仪以及界面性能测试仪对树脂浸渍国产T800S碳纤维单丝形成的微球形态、微球与纤维的界面接触角及界面剪切强度(IFSS)等进行了分析表征;同时采用模压法制备了复合材料单向板,从宏观尺度表征了其层间剪切强度(ILSS)。结果表明,与CNTs-00相比,CNTs-01的树脂界面浸润性以及复合材料IFSS有了较大提高,接触角减小了3.1°,IFSS提高了12.7%,ILSS提高了9%;CNTs-02的树脂界面浸润性略有降低,接触角增大了0.9°,IFSS降低了8.6%,ILSS与CNT–00基本相同;CNTs-03的界面浸润性降低,浸润角增大了4.5°,IFSS降低了5.7%,ILSS降低了11.5%。

碳纳米管膜修饰玻碳陶瓷复合材料电极对亚硝酸盐的电催化还原

制备了碳纳米管膜修饰的玻碳陶瓷复合材料电极，研究了亚硝酸盐在修饰电极上的电化学行为，碳纳米管膜对亚硝酸盐的还原展现了良好的催化括性。评估了溶液pH值和施加电位对亚硝酸盐电流响应的影响，并初步探讨了催化机理。在优化的实验条件下，该修饰电极对亚硝酸盐的测定线性范围为5．0×10^-5～3×10^-3mo]／L；检出限（3σ）为2×10^-5moL／L。

碳纳米管网/聚苯胺复合材料的制备及电化学储能性能

分别采用粉末碳纳米管(CNT)和带连接点的碳纳米管网(CNTN)为模板,通过与聚苯胺(PANI)有限域聚合得到了CNT/PANI和CNTN/PANI 2种复合材料.采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜对材料的形貌进行了表征,采用氮气吸附-脱附分析研究了材料的孔结构参数,运用双电四探针测试仪对材料的导电性能进行了测试,利用恒流充放电、循环伏安、循环寿命及交流阻抗等电化学测试手段表征了材料的电化学储能性能.结果表明,CNTN/PANI复合材料比CNT/PANI复合材料表现出更好的导电性能和电化学储能性能,其放电比容量可达到143.2 F/g(有机电解液).