臭氧改性碳纤维/聚酰亚胺复合材料的制备与性能研究

采用臭氧氧化的方法对碳纤维进行表面改性,并用作热塑性聚酰亚胺树脂的增强体。采用单丝拉伸试验、XPS研究臭氧处理时间对碳纤维单丝拉伸强度和表面官能团的影响。结果表明,臭氧处理时间越长,碳纤维力学性能的下降程度越大,而表面含氧官能团含量越多。优选单丝拉伸强度保留率较高、含氧官能团含量较丰富的碳纤维与热塑性聚酰亚胺制成复合材料,并评价其层间剪切强度(ILSS)。结果表明,臭氧处理5 min就可使碳纤维/聚酰亚胺复合材料的ILSS提升43%,说明臭氧处理可显著提升碳纤维/热塑性聚酰亚胺的界面性能。

三元层状碳氮化合物(MAX相)及其衍生二维纳米材料(MXene)研究趋势与展望

近年来,三元层状碳氮化合物(MAX相)及其衍生二维纳米材料MXene受到了科学界的广泛关注。MAX相的晶体结构由Mn+1Xn结构单元与A元素单原子面交替堆垛排列而成,兼具金属和陶瓷的诸多优点,在高温结构材料、摩擦磨损器件、核能结构材料等领域有较大的应用潜力。MAX相的A层原子被刻蚀之后获得成分为Mn+1XnTx(Tx为表面基团)的二维纳米材料,即MXene,具有丰富的成分组合以及可调谐的物理化学性质,在储能器件、电磁屏蔽、电子器件等领域表现出良好的应用前景。本文简要介绍近年来国内外MAX相和MXene材料领域在成分与结构、合成方法、性能与应用研究等方面的研究动态,据此展望未来几年该类新颖材料的发展方向。

方兴未艾的三元层状材料及其二维衍生物

MAX相材料是由三种元素组成的天然层状碳氮化物无机非金属类材料,其具有金属的导电和导热性质,也具备结构陶瓷的高强度、耐高温、耐腐蚀等苛刻环境服役能力。MAX相材料在高温润滑、耐氧化涂层、事故容错核材料、自修复复合材料和能源材料等领域获得了广泛的关注,国内外材料学家都在积极开展大量的探索研究。MXene材料是通过“自上而下”的合成手段将MAX相材料中A位元素腐蚀抽离而形成的,从MXene的命名可以看出其兼具MAX相的晶体结构单元和石墨烯(Graphene)的二维原子层的形貌特征。MXene材料的合成引起了纳米领域的极大兴趣,尤其是在储能研究方面不断地涌现出高水平的工作。我国在MAX相结构材料和MXene能源材料领域均取得了显著的成绩,随着合成技术的发展和多学科交叉的深入探索,目前已经有越来越多的国内材料研究小组投身此类新颖材料的研究。

新型MAX相的相图热力学研究

本研究通过使用相图计算(Calculation of Phase Diagrams,简称CALPHAD)耦合第一性原理计算的方法,以相图作为判断依据,探究Ti3AuC2、Ti3IrC2、Ti3ZnC2和Ti2ZnC新型MAX相在不同温度下的热力学稳定性。使用相图计算(CALPHAD)方法建立起研究体系的热力学数据库,耦合第一性原理得到的新型MAX相生成焓数据,最终得到包含新型MAX相的三元相图。研究结果表明Ti3AuC2、Ti3IrC2、Ti3ZnC2和Ti2ZnC的MAX相具有很好的热力学稳定性,与实验结果吻合。本研究为确定新型MAX相的热力学稳定性提供了系统的研究方法,可应用于指导合成更多未知的MAX相材料。

拉伸回弹法测定碳纤维的压缩强度

通过搭建电弧辅助单丝测试装置,采用拉伸回弹法,测定了日本东丽公司的T300,T800H碳纤维以及美国赫氏公司的IM7碳纤维,采用极限均值法(方法一)和区间择优法(方法二)对所测数据进行统计,并对其结果与文献报道的直接法测得的结果进行比较。结果表明:采用方法一和方法二统计的拉伸回弹法测得的T300碳纤维的单丝压缩强度分别为1.97,1.98GPa,T800H碳纤维单丝压缩强度分别为2.17,2.15GPa,两种方法统计的压缩强度结果基本相同,与直接法测定的结果接近,方法一比较直观,方法二则可以通过设置合理的区间获得更小的测试误差;采用拉伸回弹法对IM7碳纤维的单丝压缩强度进行两次平行测试,所得的单丝压缩强度分别为2.56~2.66,2.65GPa,误差为0.1GPa;拉伸回弹法具有较好的可重复性,拉伸回弹法可用于高强中模型碳纤维本征压缩强度的表征。

熔盐辅助合成Dy3Si2C2包裹SiC粉体及其陶瓷的烧结行为

碳化硅陶瓷因自身优良的物理化学性能而具有广泛的应用前景。碳化硅的化学键结合特性决定了其难以烧结成型,因此如何制备高质量碳化硅陶瓷是领域内的难点之一。本研究以三元稀土碳化物Dy3Si2C2作为新型SiC陶瓷的烧结助剂,依据Dy-Si-C体系的高温相转变原位促进碳化硅的烧结致密化。采用放电等离子烧结技术,利用金属Dy与SiC反应生成Dy3Si2C2,对Dy3Si2C2包裹的SiC粉体进行烧结。在1800℃、45 MPa的烧结条件下,得到了致密度为99%、热导率为162.8 W·m^–1·K^–1的高纯度碳化硅陶瓷。进一步的研究表明,高温下Dy3Si2C2与SiC发生共晶反应,在晶界处产生的液相促进了SiC陶瓷的致密化,表明稀土层状碳化物Re3Si2C2(Re=La,Ce…)有助于SiC的烧结致密。