基于碳纳米管膜的树脂基复合材料电加热除冰技术

本文开展了碳纳米管膜应用于树脂基复合材料电热除冰技术的研究,采用一体化成型工艺制备了碳纳米管膜/复合材料,并对其结构进行优化,考察了碳纳米管膜/复合材料的电热性能和除冰性能。研究结果表明,所得碳纳米管膜/复合材料内部质量良好,电加热性能优异,与金属电热元件相比,其除冰效率高,除冰能耗低。

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。

碳纳米管纸基复合材料的制备及电磁屏蔽性能研究

本研究以间位芳纶纤维、浆粕为基体,单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)为填料,采用造纸湿法成形技术,制备了间位芳纶/单壁碳纳米管纸基复合材料(SP)和间位芳纶/多壁碳纳米管纸基复合材料(MP)。探讨了碳纳米管含量和种类对碳纳米管纸基复合材料导电性能、介电性能、电磁屏蔽效能的影响,并分析了碳纳米管纸基复合材料与电磁波的相互作用。结果表明,SP的表面电导率和体积电导率的逾渗阈值均为0.16%,MP的表面和体积电导率的逾渗阈值分别为0.37%和0.93%。碳纳米管含量相同时,SP比MP具有更高的电导率、介电常数实部、介电损耗和电磁波吸收率,其中SP在8~12 GHz的频率下(厚度0.15 mm)具有27 dB的电磁屏蔽效能。

碳纳米管/钢纤维水泥基复合材料的力学性能分析

对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性处理,研究钢纤维单掺、钢纤维与MWCNTs复掺两种情况对水泥基复合材料的力学性能影响,并利用扫描电镜进行微观结构分析。研究结果表明:掺入钢纤维能够显著提高水泥净浆材料的抗折和抗压强度,且抗折强度的提高幅度高于抗压强度;复掺钢纤维和碳纳米管的水泥净浆材料相对于纯水泥净浆力学性能的提升效果,比单掺碳纳米管水泥净浆的力学性能提升效果更好。MWCNTs和钢纤维在水泥基中均起到纤维锚固作用,能够从不同尺度上抑制材料内部裂缝的产生和发展,提高材料力学性能,但是碳纳米管分散不均匀会降低复掺对水泥基材料的力学性能提高效果。

碳纳米管膜层间增韧对碳纤维复合材料力学性能的影响

分别采用两种碳纳米管膜进行层间增韧,应用热压罐工艺成型了碳纳米管膜/碳纤维增强树脂基复合材料,研究了碳纳米管膜的成型工艺、取向、面密度对复合材料力学性能和层间韧性的影响。结果表明:CNT膜平行于碳纤维铺放时复合材料的压缩强度、90°弯曲强度和层剪强度均高于CNT膜垂直于碳纤维铺放时的复合材料性能。面密度较小的CNT膜对复合材料的增韧效果较好。喷涂法成型的碳纳米管膜层间改性的复合材料层间断裂韧性明显优于拉膜法碳纳米管膜层间改性的。CNT无规膜的面密度为0.75 g/m2时,复合材料的GIC和GIIC最优,相比改性前分别提高了21%和42%。

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。

柔性自支撑碳纳米管膜/PEDOT:PSS复合材料热电性能研究

热电材料可以实现热和电之间的相互转换。利用热电材料制备的温差发电或制冷器件具备无运动部件、无污染、免维修等优点[1-2],图1为温差发电和热电制冷器件的原理示意图。一般来说,理想的热电材料应具有高的无量纲优值(ZT=S2σT/κ,其中T是绝对温度,σ、S和κ分别是材料的电导率、Seebeck系数和热导率[3-4]),也常用功率因子(PF=S^(2)σ)来评估聚合物或聚合物基复合材料的热电性能。

表面功能化多壁碳纳米管改性玻纤增强树脂基复合材料的拉-拉疲劳性能研究

通过拉-拉疲劳试验,研究了表面功能化多壁碳纳米管(MWCNTs)对玻璃纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的影响,基于试验数据选择了可线性化的指数函数和幂函数的S-N曲线模型分别对复合材料的疲劳寿命进行量化分析。研究结果表明:氨基化MWCNTs(MWCNTs-NH_(2))改性环氧树脂试件的疲劳性能优于羧基化MWCNTs(MWCNTs-COOH)改性环氧树脂试件的疲劳性能;而MWCNTs-COOH改性不饱和聚酯树脂试件的疲劳性能优于MWCNTs-NH_(2)改性不饱和聚酯树脂试件的疲劳性能。当MWCNTs-NH_(2)和MWCNTs-COOH的含量均为0.2wt%时,改性后复合材料的疲劳性能达到最佳。幂函数线性拟合结果比指数函数线性拟合结果的相关系数高,拟合精度更准确,且该模型的复合材料疲劳寿命预测结果与试验结果也较为吻合。

磷酸铁锂电池碳纳米管膜加热结构设计及验证

针对磷酸铁锂电池低温环境下的性能衰减问题,设计开发了一种轻质高强、低压安全、高效节能的磷酸铁锂电池抗低温纤维碳纳米管膜加热功能结构并开展了实验验证。采用热压工艺实现了碳纳米管薄膜与复合材料层合结构的一体化成形。实验验证了FCL(fiber carbon-nanotube film laminated composite)加热器良好的温度均匀性、稳定性以及抗热疲劳性能。开展了低温环境下磷酸铁锂电池加热实验,并与传统的PTC(positive temperature coefficient)加热器进行了对比分析,结果表明:相较于传统的PTC加热器,FCL加热器质量减轻了59%,能量消耗降低了3.5%,温升效率提高了26%,功率质量比提升了195%。

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%。

碳纳米管及炭纤维协同强韧双马来酰亚胺树脂复合材料

采用氨基化碳纳米管(CNTs)强韧双马来酰亚胺树脂(BMI)基体树脂,制备碳纳米管/炭纤维(CNT/CF)协同增强BMI的三相复合材料。结果表明,乙二胺以共价键的形式接枝到了MWCNTs表面,MWCNTs-NH2表面的N元素质量分数达3.53%;质量分数为0.5%MWCNTs-NH2的三相复合材料的弯曲模量、弯曲强度及冲击强度分别为43.85 GPa、1 160.62 MPa和28.50 kJ/m2,与CF/BMI复合材料相比,分别提高了49.56%、17.41%和19.65%。

碳纳米管/连续纤维增强树脂基复合材料力学性能设计

本文综述了碳纳米管/连续纤维增强树脂基复合材料力学性能影响因素,同时对目前公开发表的几种预测碳纳米管/连续纤维增强复合材料模量及破坏强度的分析方法进行了介绍与分析。最后,对今后研究动向进行了展望。

碳纳米管-玻璃纤维织物增强环氧复合材料的结构与性能

通过物理沉积法和静电吸附法在玻璃纤维织物(GF)表面包覆多壁碳纳米管(MWCNTs),制备GF-d-CNTs和GF-a-CNTs两种多尺度增强体,采用真空灌注工艺制备MWCNTs-GF增强环氧复合材料。采用静态、动态力学法、扫描电镜、红外光谱等分析手段,对复合材料的拉伸、弯曲、层间剪切、黏弹性和微观组成结构表征。结果表明:MWCNTs包覆于GF表面形成"倒刺"结构,并通过啮合作用增强了复合材料界面的强度和树脂韧性,提高了复合材料的玻璃化温度(Tg)等;与纯GF复合材料相比,GF-d-CNTs复合材料的拉伸强度和模量分别提高14.5%和37.9%,弯曲强度和模量分别提高26.2%和36.6%,层间剪切强度提高31.5%;GF-a-CNTs复合材料的Tg提高了8.9℃。

聚氨酯/多壁碳纳米管复合材料电纺丝支架对成纤维细胞生长的促进

应用电纺丝方法制备纤维直径为300～500nm的多壁碳纳米管/聚氨酯复合材料,以无纺膜材料作为细胞支架,选择在促进组织修复和再生中起重要作用的成纤维细胞株作为实验细胞。通过扫描电镜对多壁碳纳米管/聚氨酯无纺膜及聚氨酯无纺膜的微观形貌进行表征;通过细胞黏附实验、增殖实验以及细胞骨架发育观察,探讨无纺膜的微观纳米拓扑结构及多壁碳纳米管的复合对细胞的作用;并进一步采用双层细胞培养装置,分析多壁碳纳米管/聚氨酯无纺膜通过细胞通讯途径对在其他材料上生长的细胞生长行为的影响。实验结果表明,无纺膜中的纳米纤维网络结构和多壁碳纳米管成分不仅能够显著促进细胞的黏附和增殖,而且有利于细胞的迁移和聚集;另外,生长在多壁碳纳米管/聚氨酯无纺膜支架上的细胞可能通过旁分泌方式将某些生物大分子分泌到细胞外液中,经局部扩散作用于在其他材料上生长的细胞,促进其增殖。因此,多壁碳纳米管/聚氨酯纳米纤维无纺膜为细胞提供了接近天然细胞外基质的人造微环境,显示了该支架在引导组织修复和再生中的应用潜力。

表面修饰碳纳米管对玻璃纤维及复合材料的性能影响

玻璃纤维因良好的力学性能被广泛应用于增强复合材料,而玻璃纤维与树脂基体的界面是影响复合材料性能的关键因素之一。实验中将碳纳米管(CNTs)改性后均匀地分散到浸润剂中,利用玻璃纤维在线成型工艺直接涂覆到玻璃纤维表面并制备复合材料。通过力学性能测试和显微形貌分析,结果表明CNTs能较好地分散于浸润剂和玻璃纤维表面,发现0.5%(质量分数)CNTs可以显著提高玻璃纤维的拉伸强度,并能显著改善纤维和基体的结合强度,从而提高复合材料的强度。

碳纳米管及连续碳纤维增强复合材料研究进展

文章综述了近年来碳纳米管及连续碳纤维增强复合材料在工程应用、材料体系、表面改性等方面的研究进展,并对碳纳米管和连续碳纤维共同增强复合材料在航天工程领域的应用进行了展望。

碳纳米管/碳纤维环氧树脂复合材料的制备及力学性能

对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性处理,得到表面接枝1,3,5-苯三甲酸的碳纳米管(B-MWCNTs)。分别将MWCNTs和B-MWCNTs分散在环氧树脂基体及上浆剂中,通过缠绕成型法制备含有MWCNTs的碳纤维增强环氧树脂预浸料,并采用热压成型工艺制备MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板。结果表明,B-MWCNTs在环氧树脂基体和上浆剂中的分散状态明显优于MWCNTs。添加B-MWCNTs后复合材料的玻璃化转变温度(Tg)和失重5%时对应的温度均有所提高。而且,添加B-MWCNTs可以明显提高碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能。当MWCNTs含量为0.5%(质量分数)时,B-MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板的压缩强度、层间剪切强度和冲击后压缩强度(CAI)分别提高了14.3%,37.1%和23.4%。

碳纳米管对碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

为了探讨碳纳米管(CNTs)对碳纤维/环氧树脂复合材料(CF/ER复合材料)力学性能与疲劳寿命的影响,利用静态拉伸实验和拉-拉疲劳实验沿纤维方向对CF/ER复合材料和CNTs增强CF/ER复合材料(CNTs/CF/ER复合材料)进行了对比研究,同时利用X射线仪与扫描电镜对试样进行了观察。研究结果表明,CNTs的加入,虽然对CF/ER复合材料的拉伸力学性能影响不明显,但可以提高高周疲劳寿命约4倍,使各种实验应力水平下的裂纹密度降低9.5%以上,并可观察到试样中CNTs的拔出、破裂及桥联作用。由此可见,CNTs的加入可明显改善CF/ER复合材料的疲劳寿命。