导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合研究

针对沥青路面因车辆荷载、温度荷载等带来的裂缝扩展问题,采用碳纳米管-碳纤维制备导电沥青混合料,进行电-热愈合试验,分析沥青混合料裂缝愈合前后的电阻率值、断裂能、极限承载力和微观结构,研究导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合水平。结果表明,碳纳米管掺量在0.5%,1.0%时可以显著提高沥青混合料的自愈合能力;导电沥青混合料的自愈合水平与愈合前、后电阻率比值存在Sine函数关系;在50℃、20 min环境下小梁试件的极限承载力和断裂应变能得到最大限度的恢复。

碳纤维-水泥乳化沥青混合料的微波除冰功能研究

冬季道路易积雪、结冰,常常引发严重的交通事故.为此,将碳纤维加入普通水泥乳化沥青混合料以期实现冬季道路的微波除冰功能.首先,介绍了道路微波融冰技术的工作原理.其次,采用红外热成像仪测试了碳纤维对乳化沥青混合料的生热速率,并测试其微波融冰效果.借助扫描电子显微镜观察了碳纤维在混合料胶浆中的微观形貌.结合电磁原理,解析了碳纤维-乳化沥青混合料的微波发热机理.结果表明:碳纤维-水泥乳化沥青混合料的表面平均温度与碳纤维含量在小于等于6%时呈正比关系;当碳纤维含量超过6%,试件表面平均温度与碳纤维含量呈反比关系.试件的微波发热能力与碳纤维在复合胶浆中的分散程度密切相关.加热时间为20 s的生热速率k_(20)显著高于k_(40)及k_(60).其中,CF6试件的k20最大,为340.38 J/s. CF6的融冰时间最短为53 s,较之CF0试件的172 s,其融冰效率提高了3.24倍.碳纤维含量为6%,照射时间为20 s时最为经济、高效,在微波除冰车的辅助下,冰层可以被有效清除.

预埋碳纤维发热线沥青混凝土融雪试验研究

为研究埋设碳纤维发热线路面结构的融雪效果,制作沥青混凝土-水泥混凝土复合试块,呈S型预埋碳纤维发热线,在冬季室外环境下进行升温试验、实时融雪试验和积雪融化试验。结果显示:发热线埋深4cm、间距8cm、电压36V时发热效果优良;环境温度为-3.4℃,通电30min试件表面温度达到0℃;环境温度为-1.7℃,自然降雪180min积雪32mm时,通电试块积雪为0mm;环境温度为-1.7℃,人工堆雪30mm,通电150min时完全融化;环境温度为-5.1℃时,通电试块表面温度最终稳定在-3.3℃左右,积雪难以融化。研究表明,碳纤维发热线的布设形式、环境温度、积雪厚度、通电时间、通电电压都会影响融雪效果。

碳纤维电热功能复合纤维板的制备工艺

以碳纤维纸为电热材料,通过三聚氰胺改性脲醛树脂胶与纤维板基材叠层热压制备电热功能复合板,采用全因子试验方法探究热压压力及施胶量的影响。结果表明:热压压力对复合板电阻下降率(Drop rate of resistance,DRR)的影响不显著;施胶量的影响则极显著,胶黏剂的增加明显干扰电热层碳纤维搭接界面,两者呈高度线性下降关系,DRR变化范围在24%~40%。综合考虑内结合强度等性能,确定较优工艺参数为:压力0.8 MPa,双面施胶量130 g/m^2。

预炭化过程中升温速率对碳纤维结构与性能的影响

借助13C核磁共振波谱(13C-NMR),X射线衍射(XRD),拉曼光谱(Raman)等表征手段,研究了预炭化过程中聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的热化学反应以及微观结构的变化,且重点研究了预炭化过程(400～800℃)升温速率对纤维热应力、结构、力学性能的影响。结果表明:随着预炭化升温速率的提高,纤维类石墨层间距d002呈现出先减小后增大,晶区堆叠厚度Lc呈现出先增大后减小的的趋势;与之相对应的纤维拉伸强度和拉伸模量则呈现出先增大后减小的变化;当升温速率达到132℃/min时,d002和Lc分别出现最小值和最大值,此时所得碳纤维的力学性能最高。

层间增韧环氧树脂碳纤维单向带的热解特性及动力学研究

利用差热-热重同步分析仪研究层间增韧环氧树脂碳纤维单向带的热稳定性,研究在不同升温速率条件下该复合材料的失重温度和失重规律。研究结果表明,随着升温速率的提高,层间增韧环氧树脂碳纤维单向带每个阶段的初始分解温度、反应最终温度及最大失重速率温度均向高温方向移动,热解温度范围逐渐扩大,质量损失明显增加。分别应用微分法和积分法对样品进行热解动力学相关参数计算,计算结果表明,层间增韧环氧树脂碳纤维单向带整体活化能较高,分子间碰撞激烈,热分解反应不易进行,其热稳定性较高。

电热沥青膜材料开发及其性能研究

为提高电加热融冰雪路面的效率和解决既有方案的不足,提出了一种电热沥青膜除冰雪方案,并对其材料组成和材料性能进行了深入研究.电热沥青膜所用导电胶浆由石墨、短切碳纤维与沥青混合而成,其电阻率低至1×10^(-2)Ω·m,可按黏层或封层工艺铺筑于层间.模拟工程状态进行的导电性能试验表明,按黏层用量铺设的沥青膜即可达到融冰功率所需的电阻值,且其连续性不受施工过程显著影响.同时,力学性能试验表明,导电胶浆铺设的沥青膜完全满足层间抗剪切和抗拉拔的技术要求.

炭化升温速率对中空多孔炭纤维孔结构的影响

以中空多孔聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维为原料,固定炭化温度为800℃,时间为60min时改变炭化升温速率制备了中空多孔炭纤维,借助于压汞法和SEM对其多孔结构进行表征,并对其影响规律进行了分析。结果表明,不同炭化升温速率下所得中空多孔炭纤维的孔径存在3个分布区域,分别为6～17nm、90～430nm和90μm处附近,孔径分布的高峰在90～430nm处。在此条件下,以5℃/min升温速率烧成纤维的孔隙率和比表面积分别为63.17%和88.672m2/g。SEM分析显示,随着炭化升温速率的升高,纤维的截面变形程度加剧,孔径增大。

典型碳纤维环氧复合材料火灾特性研究

为研究碳纤维环氧复合材料的火灾特性,用锥形量热仪等仪器,对单向碳纤维预浸料、双向碳纤维布和碳纤维夹层板等3种典型材料进行试验,测定其燃烧速度、极限氧浓度、热释放速率(HRR)、失重率等性能参数,分析其热稳定性和燃烧特性。结果表明,点燃位置对材料的火焰传播速度影响较大,底部点燃时燃烧速度较快;泡沫芯材受热易形成炭层,炭层能降低火焰传播速度、增大极限氧浓度;泡沫芯材在较低温度下就会受热分解,其点燃时间、达到HRR峰值时间、热解和放热时间均提前;当采用相同环氧体系时,织造方式对碳纤维复合材料燃烧性能和热稳定性能影响不大。

沥青碳纤维恒升温速率云智能控制仿真研究

沥青碳纤维升温过程受比热容及散热环境影响,具有非线性,大时滞的特点.为实现对该系统升温速率的恒定控制,保证沥青碳纤维物料特性,提出一种新型二维云智能控制算法.该算法基于云模型控制规则的不确定性推理,用期望值Ex、熵En和超熵He表征定性概念,充分考虑系统的模糊性和随机性,建立了以温度变化率和温度作为主要参数的二维云控制模型.通过升温速度控制规则和温度控制规则得到相应云滴,软与后得到控制输出.仿真结果表明,该控制器能够在20s内将温度变化率控制在士0.005℃/s的范围之内,并能够消除传统PID控制中无法解决的积累误差问题.

碳纤维/碳基摩擦材料的摩擦学性能研究

为适应坦克装甲车辆对摩擦系统高能量密度的要求,采用树脂浸渍碳化工艺制备了碳纤维/碳基摩擦材料,通过离合器试验台对材料进行了摩擦磨损试验,并使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和3D激光形貌仪对材料表面形貌和磨屑形貌进行了分析。结果表明,碳纤维/碳基摩擦材料的动摩擦系数稳定(μ=0.11);摩擦扭矩曲线平滑,制动平稳性好;体积磨损率为3.2×10-8 mm3·J,耐磨性好;耐热系数达43 900J2·mm-4·s-1,可以在高能量密度工况下使用。碳纤维/碳基摩擦材料与钢对偶片之间的主要磨损机制为犁沟磨损和磨粒磨损。

碳纤维电热线发热规律实验与建模分析

为深入了解碳纤维电热线发热特性,本文针对12k和24k内芯线径的碳纤维电热线进行了电热性能测试,得到不同长度的碳纤维电热线发热规律.研究发现,通断电后,碳纤维电热线表面温度升降速度极快,最高升温速率可达82.9℃/min,最高降温速率可达80℃/min,保持通电期间,表面温度趋于稳定,且该稳定温度随长度增加而降低.长度从7m增加到12m后,12k和24k线径碳纤维稳定温度分别从122℃和166℃降至53℃和71℃,且波动值均在±3℃以内.使用COMSOL Multiphysics软件对碳纤维电热线进行模拟分析,模拟的发热规律与实验结果吻合较好,误差在7%以内.研究表明,通电后温度快速升高然后保持恒定是碳纤维电热线的两大特点.碳纤维电热线采暖系统是一种安全稳定的电采暖形式,在煤改电及其他恒温用热中有很广阔的应用前景.

碳纤维/环氧超厚度复合材料壁板的固化工艺优化及性能

为制定适用于大厚度环氧基碳纤维增强复合材料的固化制度,首先采用热分析方法对预浸料的固化行为进行了详细的研究,结合预埋热电偶的方法在线监测了不同厚度的壁板在等速率升温条件下的固化过程,通过系统的研究,并提出了增加缓慢升温阶段的固化制度。文中对固化制度优化后的大厚度复合材料制件的进行了超声C扫描检测和内部微观结构等分析,结果证明,采用在120℃和150℃缓慢升温的方式可以有效地控制大厚度复合材料制件内部的固化集中放热现象,并可大幅度提高制造过程中的温度均匀性。采用上述工艺,有望得到质量优异的大厚度复合材料制件。

碳纤维/环氧复合材料燃烧及产烟特性研究

使用锥形量热仪对T700碳纤维/环氧复合材料、泡沫芯材及T700碳纤维/环氧-泡沫夹芯板进行火灾模拟,并收集平均点燃时间、热释放速率、释烟速率及总烟释放量等试验数据。将三种材料在相同辐射强度50 kW/m2(796℃)下进行燃烧,同时分析泡沫芯材对T700碳纤维/环氧-泡沫夹芯板的燃烧及产烟影响,包括计算毒性气体生成速率指数(ToxPI10 min)以及发烟指数(TSPI8 min)等参数,再对试验数据变化及产生物质进行深入分析。研究结果表明:泡沫芯材对T700碳纤维/环氧-泡沫夹芯板的点燃时间没有影响,但会提升T700碳纤维/环氧复合材料的热释放速率峰值(pkHRR)、总热释放量、总产烟量以及加剧生成烟气的毒性。这主要是由于泡沫芯材参与材料中环氧的热解以及成炭环节所致。

碳纤维沥青混凝土导电特性研究

研究碳纤维含量对沥青混凝土导电特性和升温性能的影响,通过碳纤维导电沥青混凝土电阻率变化可知,最佳碳纤维体积含量为0.4%~0.6%;高温环境较低温环境升温效果明显,高功率较低功率升温效果明显;满足融雪化冰和成本要求的功率为500~900 W/m^2;低温环境升温过程中,导电沥青混凝土电阻随温度升高逐渐增大,升至0℃左右时,电阻达到极大值,之后电阻随温度升高减小。

某机场沥青混凝土路面融雪化冰技术研究

针对哈尔滨机场沥青混凝土路面,从技术方案、材料参数、试验条件、工程应用等方面对碳纤维格栅电加热融雪化冰技术进行了研究,结合碳纤维发热线性能,提出碳纤维格栅复合结构体系、自融雪路面结构设计、路面施工工艺,通过足尺试验和示范工程应用情况,成功研制出哈尔滨机场沥青混凝土路面碳纤维格栅电加热融雪化冰技术。

蓄热式焚烧炉在碳纤维生产中的应用

碳纤维自问世以来,凭借其他材料无可比拟的高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、低比重、膨胀系数小等特性,广泛应用于国防工业及民用领域,是一种国家急需、应用前景非常广阔的战略性新材料,俗称黑色的“黄金”。预氧化是生产PAN基碳纤维的一个重要工艺,能否瞬时将氧化炉放出的热量排出,将直接影响预氧丝乃至碳纤维产品的质量,而蓄热式焚烧炉做为接收和处理氧化炉废气就显得尤为重要。焚烧炉在运行时将废气转化为无害物质后再排入大气,使其满足《大气污染物综合排放标准》的限值。

低压供热涂层材料制备及热性能研究

低压供热技术具有安全系数高和节能降耗等优势,因而成为石化稠油长输管线、风力发电叶片冬季防覆冰和室内供暖等领域的研究热点之一。本文制备了一系列低压供热涂层材料,研究不同碳功能填料对涂层发热速率、发热功率及最高发热温度的影响规律,并揭示石墨烯和碳纤维对提升涂层材料热性能的协同作用。其中石墨烯纳米片的还原程度对材料热性能具有重要影响,降低其表面官能团密度对提升涂层供热特性具有促进作用,但是官能团密度过低会导致石墨烯纳米片的团聚现象,引起涂层发热不均匀。加入适量碳纤维可以提高石墨烯的均匀分散性,提升发热速率。优化石墨烯纳米片和碳纤维的比例后,采用24V电压驱动时,涂层材料的发热速率达到7.1℃·s^(-1),功率密度为800W·m^(-2),最高发热温度为124℃。

沥青混凝土预埋碳纤维绳发热升温试验

为了研究预埋碳纤维绳(碳绳)发热对沥青混凝土表面温度变化的影响规律,进行了不同长度碳绳单元的发热升温试验,绘制了升温及降温曲线,拟合得到温度变化与时间的数学关系式,进行了功率及用电量分析。研究结果表明:随着时间的延长,试件表面温度有持续上升趋势,与环境温度相比,2.5m长碳绳发热单元15min升高了4℃;3.5m、4.5m、5.5m长碳绳发热单元30min分别升高了3.5℃、3.2℃、1.3℃;单元发热功率分别为498W/m2、292W/m2、186W/m2、119W/m2、89 W/m2;断电后试块表面降温过程非常缓慢,温度变化与通电时间有良好的数学相关性;碳绳发热性能良好,沥青混凝土中埋设碳绳能起到较好的发热升温效果。依据降雪带的分布,推荐了发热单元的选择方案及设计方法。

基于锥形量热法的典型碳纤维/环氧复合材料燃烧特性

采用锥形量热仪实验研究环氧树脂基体、T300碳纤维/环氧复合材料及T300碳纤维/环氧-泡沫层合板(上下层为T300碳纤维/环氧复合材料,中间层为4mm厚的Divinycell H60泡沫芯材)在不同火灾环境下的燃烧性能。对比分析其点燃时间、热释放速率、总烟气释放量和CO生成速率等燃烧特性参数的变化规律。利用SEM测试T300碳纤维/环氧复合材料燃烧前、后表面形貌图像和环氧树脂基体和T300碳纤维/环氧复合材料燃烧形成炭层的形貌图像,分析碳纤维在碳纤维/环氧复合材料热解、燃烧过程中的影响作用。结果表明,随热辐射强度的增加,三种实验样品的平均点燃时间均缩短,热释放速率峰值和300s内热释放速率均值均增大,峰值出现时间提前,燃烧后残余率均降低。碳纤维对环氧树脂热解和燃烧起到抑制作用,其点燃、放热及达到热释放速率峰值的时间延后,T300碳纤维/环氧-泡沫层合板中泡沫芯材的燃点较低,使其平均点燃时间、热释放速率峰值出现时间及CO开始释放时间提前。T300碳纤维/环氧复合材料和T300碳纤维/环氧-泡沫层合板燃烧后均出现明显的分层现象,力学性能丧失,整体结构被破坏。碳纤维的存在能够有效抑制碳纤维/环氧复合材料的热解及燃烧,并能有效抑制在燃烧过程中产生融滴、喷溅和大量黑烟。