短切炭纤维—炭复合材料的制备及传导性能和微观结构的研究

以中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青为原料,采用模压成型、炭化、致密化、高温石墨化等一系列常规工艺,制备了传导性能良好的炭 /炭复合材料。主要考察了中间相沥青与中间相沥青基炭纤维质量配比对材料密度及传导性能的影响,并进一步研究了材料微晶参数的变化与材料性能的相关性。结果表明:中间相沥青与纤维质量配比对材料的导热、导电性能以及微晶参数有很大影响。随着中间相沥青用量的增大,材料导热、导电性能均提高,石墨层间距d002减小,石墨微晶尺寸La、Lc增大;当中间相沥青与炭纤维质量比为 0.8时,制备出的炭 /炭复合材料石墨微晶尺寸最大,常温传导性能最佳 (垂直于压制方向的面向热导率为 385W /(m·K),电阻率为2.85μΩ·m);进一步提高中间相沥青用量,石墨微晶尺寸La、Lc减小,材料的传导性能降低。

电化学表面处理PAN基炭纤维的表面性能研究

以NH4HCO3为电解质对PAN基炭纤维进行了连续表面处理,并利用X射线光电子能谱 (XPS)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)和自动电位滴定等方法,系统研究了电化学氧化反应后炭纤维表面石墨微晶尺寸的变化规律,推导出微晶宽度(La)、微晶厚度 (Lc)与电流密度 (J)之间存在线性关系式;同时,经电化学氧化处理后,炭纤维表面含氧官能团的摩尔分数增加 8.54%,表面吸附水的摩尔分数增加 5.34%,使其表面由憎液性变为亲液性,这有利于提高炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的层间剪切强度(ILSS)。

酚醛树脂基活性炭微球的电化学性能研究 I.酚醛树脂基微球制备过程的研究

选用线型酚醛树脂为原料,采用乳化法可制得微球。为了揭示微球的成型,考察了在制备过程中酚醛树脂乙醇溶液的浓度、搅拌速率、成球终温、固化剂及表面活性剂的数量对酚醛树脂基微球的影响。研究结果表明:微球球径随着树脂溶液浓度的降低而减小,亦随搅拌速率的降低而减小;当搅拌速率为 400r/min左右,表面活性剂的浓度在 0.28mol/L^0.74mol/L,固化剂量的质量分数为 6.0% (基于酚醛树脂 )时,可得到球形度良好的微球。在高于树脂软化点以上成球终温对成球影响不大。

高导热炭材料的研究进展

炭材料具有高热导率、低密度、优异的机械性能,是近年来最具发展前景的一类散热材料。本文结合炭材料结构和传导机理主要介绍目前国内外在提高炭材料热导率方面的研究工作及发展趋势。

酚醛基活性炭纤维孔结构及其电化学性能研究

利用水蒸汽活化法制备了酚醛基活性炭纤维(ACF-H2O),对其比表面积、孔结构与在LiClO4/PC(聚碳酸丙烯酯)有机电解液中的电容性能之间的关系进行了探讨.用N2(77K)吸附法测定活性炭纤维的孔结构和比表面积,用恒流充放电法和交流阻抗技术测量双电层电容器(EDLC)的电容量及内部阻抗.研究表明,在LiClO4/PC有机电解液中,ACF-H2O电极的可用孔径(d)应在0.7nm以上.随着活化时间的延长,ACF-H2O的孔容和比表面不断增大,但微孔(0.7nm<d<2.0nm)和中孔(d>2.0nm)率变化很小,活化过程中孔的延伸和拓宽同步进行,但过度活化则造成孔壁塌陷,孔容和比表面迅速下降.因此,除活化过度的样品外,电容量随比表面积呈线性增长,最高达到109.6F·g-1.但中孔和微孔的孔表面对电容的贡献不同,其单位面积电容分别为8.44μF·cm-2和4.29μF·cm-2,中孔具有更高的表面利用率.ACF-H2O电极的电容量、阻抗特性和孔结构密切相关.随着孔径的增大,时间常数减小,电解液离子更易于向孔内快速迁移,阻抗降低,电极具有更好的充放电倍率特性.因此,提高孔径和比表面积,减少超微孔(d<0.7nm),是提高EDLC能量密度和功率密度的重要途径.然而仅采用水蒸汽活化,只能在小中孔以下的孔径范围内进行调孔,ACF-H2O电极电容性能的提高受限.

中间相沥青纤维制备高导热炭材料的研究

利用中间相沥青纤维中沥青分子的高度择优取向和适度的热塑性热压制备高导热块体炭材料．对比研究了经不同氧化处理的带形及圆形中间相沥青纤维热压所得炭材料的传导性及力学性能．结果表明:相对圆形纤维来说,由于带形中间相纤维具有更高的纤维轴向取向度和纤维之间更高的接触面积,故其热压所得材料具有更高的密度和传导性．经260℃氧化的带形纤维热压所得炭材料的密度、抗弯强度、电阻率及热导率分别达到了2．18g／cm-3、118．4MPa、1．13μΩm和717W／m·K．

中间相沥青不熔化纤维自烧结制备高传导性炭材料研究

以中间相沥青为原料,通过带形截面喷丝板进行熔融纺丝,对所获中间相沥青纤维进行适度氧化处理,而后通过热压工艺将氧化中间相沥青纤维进行无黏结自烧结成型,并借助红外分析和扫描电镜等手段研究了不同最终氧化温度对带状沥青纤维的官能团变化与由其自烧结制备高导热炭材料的成型性及性能影响。结果表明:经260℃不熔化处理的中间相沥青纤维热压成型,能获得具有高密度、高抗弯强度和高传导性的新型炭材料,所制备材料的密度高达2.16 g/cm3,抗弯强度达到125.9MPa,电阻率和热导率分别达到0.56μΩm和830W/(m.K)。

高导热炭/陶复合材料的制备及其性能研究

以天然鳞片石墨粉为骨料炭、中间相沥青作粘结剂、以及Si,Ti为添加剂,利用热压工艺制备了系列炭/陶复合材料。考察了热压温度对材料物理性能和微观结构的影响。研究表明:随着热压温度的升高,最终材料的导热率和热扩散系数都单调增大;而抗弯和抗压强度则有所下降。当热压温度为2700℃时,在平行于石墨层方向材料的温热导热率、热扩散系数、抗弯和抗压强度分别为654W/m.K,413mm2/s,34.5,31.5MPa。当热压温度为2300℃时,材料微晶的定向排列程度就较高,晶格排列也较为规则。利用XRD,SEM,TEM等考察了材料的微观结构,探讨了材料导热性能与微观结构之间的相互关系。

中间相炭微球模压高密高强炭／石墨材料的XRD研究

以中间相炭微球(MCMB)为原料,在100MPa的压力下冷模压成型后,再经过热处理得到高密高强炭/石墨材料。考察了不同热处理温度对制品的力学性能以及微晶结构的影响。实验结果表明,MCMB制品具有较高的机械强度;制品的石墨化程度随热处理温度的提高而迅速提高,热处理温度超过2400℃后,制品已经呈现出石墨化特征,经过2800℃处理后,制品的石墨化度达到了78%。

含Ti组元炭/炭复合材料微观结构和热传导/力学性能的研究

以短切炭纤维、中间相沥青和Ti粉为原料,采用模压成型、炭化、致密化、高温石墨化等一系列常规工艺,制备了含Ti组元的炭/炭复合材料。考察了Ti组元的添加对复合材料传导性能和微观结构的影响,结果表明:Ti组元的添加能增强复合材料界面、促进晶粒的完善和长大,提高材料的传导/力学性能。当Ti含量为7.3%时,2500℃高温石墨化后所制复合材料的面向热导率最高,为482W/(m.K);进一步3000℃高温处理后材料面向热导率达556W/(m.K)。同时本文探讨了Ti组元的催化石墨化机理。

离子液体在中孔炭中的电化学性能研究

对以离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)做电解液,热固性酚醛树脂为前驱体添加纳米硅颗粒制备的中孔炭做电极构成的电化学双电层电容器的电化学行为进行了探讨。循环伏安和恒流充放电测试结果表明,离子液体在中孔炭中表现为优秀的电化学行为,大电流充放电时具有良好的电容特性,其比电容在1mA/cm2时为120F/g,充放电效率达92%,表明中孔炭非常适合离子液体电解液。

不同结构中孔炭材料的制备和热稳定性研究

利用溶剂挥发自组装的方法制备了2种不同孔结构中孔炭材料。低温N2吸脱附、SAXS、HRSEM和TEM测试表明,所制备的材料分别具有柱状结构和墨水瓶状的中孔结构。考察了不同炭化温度对2种结构中孔炭的影响,结果表明柱状结构的中孔炭材料具有较好的热稳定性。

超纯煤沥青基活性炭的制备及其电化学性能的研究

以中温煤沥青为原料,采用酸溶液脱灰以及氢氧化钾活化工艺制备了超纯煤沥青基活性炭,系统研究了活化温度对样品的微观形貌、孔结构以及电化学性能的影响。结果表明,随着活化温度的提高,样品的孔结构变得发达,孔径分布变宽;总比表面积和总孔体积先增加后又略微减小,中孔比表面积和中孔体积逐渐增大,在0.2A/g电流密度下比容量高达300F/g,10A/g电流密度时仍保持为174F/g,5A/g电流密度下充放电循环5000次以后,其比容量保持率高达98%,表明样品具有良好的倍率特性和循环稳定性能。

煤质沥青基超级活性炭的提质处理及其电化学性能的研究

以中温煤沥青为原料,采用预脱灰和后脱灰两种不同工艺并结合KOH活化法造孔,制备了超级活性炭。系统研究了制备工艺对样品中灰分含量、微观形貌、孔结构以及电化学性能的影响。结果表明,采用后脱灰工艺制备的样品,与仅KOH活化而未进行酸溶液处理的样品相比,其灰分含量均明显降低,比表面积显著提升,比容量明显提高。而采用预脱灰工艺制备的样品,与后脱灰工艺相比,其超级活性炭灰分含量更低(≤0. 1 wt.%)、比表面积更大(2 722 m^2·g^(-1))、电化学性能优异。在0. 2 A·g^(-1)电流密度下,比容量为295 F·g^(-1),倍率性能良好(10 A·g^(-1)电流密度下仍为192 F·g-1)。循环稳定性优异,经5 000次恒流充放电循环之后,电容保持率高达99%,在对称超级电容器50 W·kg^(-1)的功率密度下,能量密度可达到9. 1 Wh·kg^(-1),表明其优异的储能性能。

超级电容器用中孔炭复合电极材料研究进展

超级电容器是一类利用电化学双电层或电极材料在电极/溶液界面发生的氧化还原反应来存储能量的装置,除兼有常规电容器功率密度大和二次电池能量密度高的特点外,还具有可逆性好和循环寿命长等优点.本文重点介绍了近几年国内外对中孔炭材料、表面官能团修饰中孔炭材料、中孔炭-金属氧化物、中孔炭-导电聚合物等几类电极材料的研究现状;并且展望了超级电容器用中孔炭及其复合电极材料的当前研究热点和发展前景.

MOF材料自模板炭化制备纳米多孔炭的研究进展

纳米多孔炭材料具有高的比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性等优点,广泛应用于气体吸附、催化和电化学等领域。尽管目前已做了大量的工作,但是以自模板策略制备纳米多孔炭材料仍存在挑战。结构多样可裁的金属有机骨架(MOF)材料具有规则可调的孔径、高的孔隙率和比表面积等优点,已被证明是制备功能化纳米多孔炭材料的理想前驱体。本文综述了近年来MOF自模板炭化制备纳米多孔炭材料的研究进展,重点介绍以炭化不同的MOF-客体类型为途径获得的多孔炭材料。这将有助于进一步定向开发功能化的新型炭材料,以优化其在更广泛应用领域的性能。

成型活性炭的制备及其甲烷吸附性能的研究

以羧甲基纤维素(CMC)为粘结剂、比表面积为2325m2/g的粉状活性炭为原料,考察了成型活性炭的制备及其对甲烷吸附性能的影响。正交实验结果表明,影响甲烷体积吸附量的因素由大到小依次为:成型压力>热处理温度>热处理时间>粘结剂的添加比例,并且得出了这种成型活性炭的最佳成型工艺,即:成型压力62.5MPa,热处理温度250℃,热处理时间90min,粘结剂质量添加比例20%。用最佳条件制备的成型活性炭在298K和3.6MPa下对甲烷的体积吸附量可达167.9。

纳米SiO_2改性上浆剂对炭纤维复合材料界面性能的影响

利用单纤维碎裂法,三点短梁法,扫描电镜(SEM)和动态力学热分析(DMTA)研究了未上浆炭纤维、环氧树脂乳液上浆炭纤维和经纳米S iO2改性环氧树脂乳液上浆炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的界面性能。结果表明:炭纤维经改性乳液上浆剂和未改性乳液上浆剂上浆后,与未上浆相比,其单纤维复合材料的界面剪切强度(IFSS)分别提高了79%和41%,复合材料的层间剪切强度(ILSS)分别提高了14%和9%。DMTA图谱显示经纳米S iO2改性上浆的CFRP其损耗角正切(tanδ)较未改性上浆的降低18%,玻璃化温度(Tg)高出5℃。说明上浆剂中添加纳米S iO2可使上浆后的CFRP界面黏结性得到显著增强。

掺杂难熔金属碳化物对炭/炭复合材料烧蚀微观结构的影响

详细分析和比较了3D炭/炭复合材料及其添加难熔金属碳化物的试样在三种烧蚀条件下的烧蚀结果、微观结构及形貌。SEM观察结果显示,纤维与基体间的界面优先烧蚀现象对纯炭/炭试样是普遍存在的,相反,对难熔金属碳化物掺杂的炭/炭试样而言,纤维却总是优先被烧蚀;纤维单丝相对基体优先烧蚀越明显,材料宏观烧蚀率越大。对纯炭/炭试样烧蚀表层区的TEM观察结果表明,在烧蚀过程中炭纤维和基体炭均发生明显的微观结构变化,具体表现为炭纤维的微晶尺寸显著长大,而基体炭原有层片区则出现柱状炭。烧蚀测试条件对材料宏观和微观形貌及烧蚀机理都有影响。

中间相沥青制备高密度高强度炭/石墨材料

以在不同氧化温度下制备的氧化中间相沥青为原料制备了具有不同密度的炭/石墨材料,根据对样品物理性能和微观结构的研究得出最佳的工艺条件.以150MPa压制的坯体经过2200℃石墨化后得到具有高密度(2.02g/cm^3)、低孔率(2.03%)、大体积收缩(44.86%)、高的弯曲强度和压缩强度(70.3和123.3MPa)的样品.该样品具有均匀致密的结构.实验证明,氧化中间相沥青是制备高性能炭石墨材料良好的前驱体.