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。

反应型阻燃剂ODOPOM阻燃硅烷交联POE复合材料的研究

合成反应型阻燃剂9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-羟甲基-10-氧化物(ODOPOM),用傅里叶变换红外光谱仪和氢、碳、磷核磁共振光谱表征其化学结构。将ODOPOM与硅烷接枝乙烯-辛烯共聚物(POE)共混后经过温水浸泡制备反应型阻燃硅烷交联POE复合材料。研究并讨论了ODOPOM用量对硅烷交联POE的阻燃性能、耐水性能、力学性能、热稳定性能等的影响,并讨论其阻燃机理。

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。

煤气化渣制备碳硅介孔材料及甲基橙吸附性能研究

开发了一种煤气化渣低成本制备碳硅介孔材料的方法,探究了影响孔结构的因素和在甲基橙中的吸附性能。采用酸浸法制备碳硅介孔材料,通过材料的孔隙结构和金属氧化物浸出率对制备工艺进行优化。结果表明,温度和时间影响较小,原料粒径和酸浓度影响较大。粒径较小的原料酸浸之后比表面积更大,酸浓度对于碳硅介孔材料的影响比较明显,最佳的酸浓度为16%(质量分数),金属氧化物浸出率和残余碳含量综合影响着比表面积和孔容的大小。煤气化渣基碳硅介孔材料的吸附过程与伪二阶吸附模型最为接近,吸附平衡符合Langmuir模型,对甲基橙最大的吸附量为89.13 mg/g。

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。

硅碳复合材料研究

硅碳复合材料具有较高的储锂容量和较低的电压平台,以其独特的优势和潜力吸引了越来越多研究者的目光,有望成为替代商业化石墨或碳负极的材料。本文着重探讨了硅碳复合材料的分类,以及其在应用过程中易出现的关键问题。

一步法制备体心立方结构的介孔碳/氧化硅纳米复合材料

以酚醛树脂预聚体(Resol)为碳源前驱体,嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO–PPO–PEO,F127)和聚二甲基硅氧烷-聚氧乙烯(PDMS–PEO)为混合模板剂,采用溶剂挥发诱导自组装(EISA)方法制备了有序介孔碳-氧化硅纳米复合材料,并进一步采用小角X射线散射(SAXS)、透射电子显微镜(TEM)和氮气吸脱附分析对所制备样品的结构和组成进行表征.结果表明,所制备的介孔碳/氧化硅纳米复合材料具有体心立方Im3m结构,其BET比表面积、总孔容和孔径分别为1 410 m2g,1.12 cm3g和5.4 nm.

聚碳硅烷制备C/C-SiC高温复合材料的应用

SiC陶瓷复合材料具有抗氧化、耐高温等综合性能,已在宇航领域得到广泛应用,聚合物先驱体——聚碳硅烷经高温裂解,可制备SiC陶瓷复合材料。主要进行了聚碳硅烷的结构与性能分析,以及其用于制备PIP-SiC基陶瓷复合材料的研究。结果表明,C/C-SiC炭陶双基材料结合了C/C复合材料使用温度高、C/SiC复合材料抗氧化性能优良的特点,随着基体中PIP-SiC含量的增加,提高了C/C-SiC复合材料的综合力学性能和抗氧化烧蚀性能。采用"CVI+PIP"工艺研制的3D C/C-SiC复合材料弯曲强度高达468.4MPa,拉伸强度高达348.6 MPa,600 s条件下的氧乙炔烧蚀的线烧蚀率为0.001 7 mm/s、质量烧蚀率为0.000 6 g/s,使C/C-SiC复合材料达到了长寿命的使用目的。

碳包覆硅/碳复合材料的制备与性能研究

为提高锂离子电池高容量Si/C复合负极材料的电化学性能,采用喷雾干燥法制备了核壳结构的碳包覆Si/C复合材料。碳包覆Si/C复合材料为近球形颗粒,形貌规整,粒度分布均匀,呈正态分布,其物相结构和嵌脱锂的电化学反应与Si/C复合材料保持一致。碳包覆后,减小了充放电过程中复合材料电极的极化,电压滞后现象得到了显著的改善。碳包覆Si/C复合材料的最大放电比容量为512mAh/g,略低于包覆前的材料,但循环稳定性大大提高,50次循环后的容量保持率为96%。

聚碳硅烷/二乙烯基苯快速升温裂解制备C_f/SiC复合材料

以聚碳硅烷(PCS)/二乙烯基苯(DVB)为先驱体,采用快速升温裂解制备了3D-BCf/SiC复合材料。结果证明:裂解升温速率的提高可以大大缩短制备周期,同时可以提高材料密度和形成较好的界面结合,从而提高材料的力学性能。制备得到的Cf/SiC材料室温弯曲强度达到556 7MPa。

稻壳制备硅/碳复合材料及储锂性能

作为一种储量丰富的农业废弃物,稻壳的高附加值利用具有重要意义。以稻壳为原料,通过空气氧化、镁热还原和酸浸得到硅/碳复合材料,探讨了复合材料的组成结构以及作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明:硅/碳复合材料中的硅为晶体纳米颗粒,分布在无定形炭基质中;稻壳的氧化增加了硅/碳复合材料中硅的含量和复合材料的比表面积,从而增加了复合材料的容量,但首次库伦效率较低;硅/碳复合材料中的碳可以抑制硅的体积变化,改善循环性能。含碳8%的硅/碳复合材料,首次充电容量758.5mAh/g,30次循环后充电容量保持率为78.7%。

新型含锆聚碳硅烷制备C/C-SiC-ZrC复合材料及烧蚀性能

目的提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。方法通过交联固化-碳化工艺获得新型含锆聚碳硅烷(Polyzirconocenecarbosilane,PZCS)裂解产物。采用FT-IR、XPS、TG、XRD、SEM等分析手段表征PZCS先驱体基本结构和固化、裂解产物结构及元素分布等。以PZCS为溶液浸渍先驱体,通过PIP工艺制备得到C/C-SiC-ZrC复合材料,采用氧乙炔烧蚀试验表征其抗烧蚀性能。结果PZCS陶瓷先驱体经过交联固化工艺能够显著提高其陶瓷产率。TG结果表明,980℃时陶瓷产率达66.37%,所得陶瓷粉末为分散均匀的SiC-ZrC复相陶瓷。C/C-SiC-ZrC复合材料经过氧乙炔试验烧蚀600s后,其线烧蚀率为0.0067mm/s,表现出良好的抗烧蚀性能。结论SiC-ZrC复相陶瓷基体烧蚀过程中,氧化形成SiO2和ZrO2等氧化物涂层,氧化物隔离层能够隔离氧气和热量,阻止其向复合材料内部进一步扩散,可有效提高复合材料烧蚀性能。

低分子量聚碳硅烷制备3D-Cf/SiC复合材料

研究了低分子量聚碳硅烷(PCS)通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备Cf/SiC复合材料.分析表明:PCS的数均分子量为400,活性较强,陶瓷化产率为70%左右,在1200℃基本转化为微晶态的β-SiC.分别通过3种不同升温速率制备了3D-Cf/SiC复合材料试样,其弯曲强度分别为745.2 MPa、686.7 MPa和762.5 MPa,明显高于文献报道3D-Cf/SiC复合材料弯曲强度300～500 MPa的水平.试样断口的SEM照片均显示长的纤维拔出,有良好的增韧效果,低分子量PCS裂解得到的基体比较致密.实验结果说明,低分子量PCS适合于制备3D-Cf/SiC复合材料,并且提高升温裂解速率对材料性能影响很小.

聚碳硅烷化学转化制备SiC_w／SiC复合材料的研究

研究了以ＳｉＣ晶须为增强剂和以聚碳硅烷为先驱体热解制备ＳｉＣｗ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料的成型工艺及其热物理性能。同时对ＳｉＣｗ／ＳｉＣ复合材料高温氧化机理进行探索。制得的ＳｉＣｗ／ＳｉＣ复合材料的密度为２．１９／ｃｍ￣３，弯曲强度为２５０ＭＰａ。

新型碳/聚硅乙炔基防热复合材料的制备与性能

以聚硅乙炔树脂(PMR)为基体制备出了一种新型的碳/聚硅乙炔基防热复合材料(C/PMR),并全面评价了树脂基体的固化性能、耐热性能、以及复合材料的界面性能、力学性能与烧蚀性能。结果表明:PMR固化物具有比酚醛更高的耐热稳定性,其在N2下的5%热失重温度(T5)为608℃,900℃下的残重高达89.7%(酚醛约65%)。复合后,C/PMR单向板的剪切强度为22MPa,织物增强型C/PMR的拉伸强度、弯曲强度和线烧蚀速率分别为187MPa、96MPa和0.46mm/s。

硅基非氧化物陶瓷复合材料的环境障涂层系统的研究进展

先进的硅基非氧化物陶瓷及其复合材料具有优异的高温力学性能和热稳定性,是未来先进的空天飞行器及地面燃气轮机热端部件的候选材料.但是硅基非氧化物结构材料在服役过程中存在抗水汽氧化性能不足等问题,需要使用环境障涂层(EBC)系统来提供额外防护.简单阐述了硅基非氧化物陶瓷在高温水汽氧化环境中的失效机制,重点介绍了EBC系统的发展历史,以及近年来NASA新型EBC系统的研究进展.

不同分子量聚碳硅烷的性能及对C/C-SiC复合材料增密的影响

以四种分子量级别聚碳硅烷(PCS)为浸渍剂,采用CVD和浸渍-裂解工艺制备了C/C-Si C复合材料,分析了四种分子量级别PCS的分子量、软化点,分子结构和热失重性能,采用压汞法测试试件的孔隙分布特性。分析表明,PCS的软化点和800℃转化率都随着分子量的提高而提高;四种分子量级别的PCS热分解过程基本相同,分子的支化程度差异不大。数均分子量为1 178、1 333的PCS的整体致密化效率要高于数均分子量为1 550的PCS,经过7个周期致密后,分子量为1 178的PCS所致密试样的累积孔隙容积最高,分子量为1 550的PCS所致密的试样最低。前5个浸渍裂解致密周期采用分子量为1 550的PCS,以后周期采用分子量为1 178或1 333的PCS,可以达到较高的致密效率。

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。

纳米硅碳/石墨复合负极材料的制备及其电化学性能研究

以机械球磨法和化学气相沉积法制备的纳米硅为原料,通过喷雾干燥法制备了人造石墨@纳米硅@无定形碳材料,探究不同制备工艺的纳米硅对包覆效果的影响。结果表明,气相沉积法制备的球形硅颗粒包覆效果更好,材料的电化学性能更优,在0.1C倍率下循环150周,比容量维持在678.7 mAh·g^(-1)。

液态聚碳硅烷制备C/C-SiC复合材料抗烧蚀性能研究

采用液态聚碳硅烷(Liquid polycarbosilane,LPCS)为陶瓷先驱体,通过先驱体浸渍裂解(Precursor infiltration and pyrolysis,PIP)工艺,制备了C/C-SiC复合材料。LPCS先驱体的裂解行为采用热重分析(Thermogravimetry analysis,TGA)表征,高温裂解产物的相组成、微观形貌等通过X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)表征。结果表明,LPCS先驱体裂解形成SiC陶瓷,其980℃陶瓷产率为81.3%,可作为PIP工艺制备复合材料的新型先驱体材料;2200℃、600 s氧乙炔试验烧蚀后,LPCS先驱体制备的C/C-SiC复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.005 mm/s和0.0019 g/s,表现出良好的抗烧蚀性能;SiC陶瓷基体烧蚀过程中氧化形成致密连续的SiO_(2)障碍层,能够隔离氧气和热量,阻止其向复合材料内部进一步扩散,可有效地提升复合材料的烧蚀性能。