碳纤维的等离子体表面处理技术研究进展

碳纤维表面所固有的疏水性和化学惰性制约了碳纤维复合材料的界面性能。等离子体表面处理技术通过刻蚀、清洁以及引入表面活性基团等作用,较好地解决了碳纤维表面与树脂基体的界面结合,提高了碳纤维复合材料的性能。主要综述了低温等离子体表面处理技术对碳纤维表面物理化学结构以及复合材料力学性能的影响方面的最新研究进展,并对其发展趋势进行了展望。

碳纤维国产化现状与技术发展前景分析

介绍了国内碳纤维技术与产业现状,分析了国产碳纤维技术的发展前景。

T-800碳纤维湿法缠绕用环氧树脂基体研究

针对制备高性能碳纤维缠绕复合材料的要求,以TDE85树脂为主体树脂、AG80树脂为添加树脂,选用混合芳香胺固化剂,研究了一种适合于T800碳纤维复合材料缠绕成型的树脂基体。结果表明,该树脂的黏度和适用期可满足湿法缠绕成型工艺要求,其浇铸体具有优异的耐热性能与机械性能,而其制备的T800碳纤维复合材料界面粘接好,缠绕强力环层间剪切强度达到81MPa、拉伸强度高于2500MPa,适合T800碳纤维的湿法缠绕成型。

碳纤维导电复合材料的电学性能研究

研究了 FR- 4溴化环氧树脂玻璃布和碳纤维导电纸层压复合面状发热板的电学性能 ,结果表明 :溴化环氧树脂固化过程对其电性能产生影响 ,对于不同规格的导电纸 ,其电阻下降率不同。面状发热板的电阻在升温和降温过程中存在不同程度的偏离 ,呈现 PTC或 NTC效应 ,数次热循环后 ,可以使室温电阻保持恒定。发热板的电阻随通电时间的延长而逐渐下降并趋于稳定 ,通断电次数对其电阻影响不大 ,在长期通电使用下能保持其功率稳定性 ,发热板的功率密度与表面温度呈现良好的线性关系。

实现节能减排的碳纤维复合材料应用进展

碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、高刚度、抗疲劳和耐腐蚀等优异性能。为了解决全球气候变暖、温室气体排放的环境问题,碳纤维复合材料在大型飞机、风力发电叶片、汽车部件、石油开采抽油杆、电力输送电缆等领域的应用将推动节能减排的实现。碳纤维复合材料的使用实现了材料的轻量化,从而达到了节能减排的目的,碳纤维复合材料在这些领域的实际应用代表了其技术的成熟度和水平。随着国产化碳纤维制造关键技术的成熟,通过突破碳纤维复合材料的低成本制造技术,实现国产碳纤维复合材料在节能减排方面的应用是现实的。

电化学改性PAN基碳纤维表面及其机理探析

表面处理是高性能碳纤维制备的重要环节之一.采用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等表征方法,研究了改性聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的表面状态,探讨了电化学氧化法对碳纤维表面的改性机理.研究结果表明,在电化学的化学刻蚀作用下,碳纤维表面薄弱外层被去除,表面原有沟槽加宽加深,表面粗糙度增大了1倍多;在电化学的化学氧化作用下,碳纤维表面的活性官能团增多,(O1s+N1s)/C1s提高了9.7%.并提出了电化学氧化同时改善了碳纤维的表面物理状态和表面化学状态的'物化双效'机理.

电化学改性对PAN基碳纤维表面状态的影响

采用电化学氧化法对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行表面改性,利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)对改性后的碳纤维表面状态进行了研究。同时探讨了碳纤维表面状态与其抗拉强度及其复合材料力学性能的关联。研究结果表明,碳纤维经电化学氧化后,表面的粗糙度提高了1.1倍;表面碳含量降低了9.7%,氧含量提高了53.8%,氮含量增加了7.5倍,羟基和羰基含量也有不同程度的提高;表面取向指数减小了1.5%,表面微晶尺寸减小,表面活性碳原子数增加了78%。电化学氧化法的刻蚀作用致使碳纤维拉伸强度降低了8.1%,但同时也改善了碳纤维表面的物理性质和化学性质,提高了碳纤维与树脂间的粘结性,使复合材料的ILSS提高26%。

石墨化过程中元素铁对PAN基碳纤维成分及结构的影响

运用EA、Raman和XRD等方法分别研究了PAN基碳纤维石墨化过程中非结构型成分铁对碳纤维中C、N、H等结构型成分、化学结构和聚集态结构的影响,探讨了碳纤维成分变化与结构演变的关联关系。研究表明,元素铁对碳纤维中N元素的逸出具有较强的催化作用,碳纤维中C元素含量由于N元素被催化脱除而提高的更快;元素铁催化脱氮减少了碳纤维结构重排中的能耗,从而有利于碳纤维中的乱层结构碳向石墨结构碳的转变;同时,元素铁促进石墨片层基面宽度(La)增长;由于N元素沿纤维径向地逸出,元素铁催化脱氮产生的气胀作用力阻碍石墨片层的堆叠,因此铁对石墨片层层间距(d002)几无影响,层间距的发展主要体现温度效应。

热处理温度对PAN基碳纤维微观结构的影响

利用X射线衍射、元素分析、拉曼光谱研究了不同热处理条件下聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CFs)微观结构和元素含量的变化,定义了PAN-CFs石墨微晶长度和石墨微晶体积。结果表明:随着热处理温度升高,纤维中氮元素含量不断减小;石墨微晶长度、微晶宽度、微晶堆叠厚度以及微晶体积均不断增大;纤维的空隙率不断增加,空隙率增加的原因为氮元素的脱出和微晶体积的增大;纤维的石墨化程度不断增加。

碳化过程中改性聚丙烯腈预氧化纤维的高温热应力应变研究

采用对比方法研究了高锰酸钾改性与未改性聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维在碳化过程中的高温热应力应变行为.表征了过程纤维的基本物化性质,并用SEM,WAXD,EA等对其结构进行了研究.研究结果表明,改性纤维的热应力应变变化可分为370,500,900℃前后4个区域.与未改性纤维相比,改性纤维的应力在370℃以下增长较快;370～500℃快速下降;500～900℃则迅速增高,同时比未改性PAN纤维应力增加20%以上;900℃以上应力基本保持稳定.大负荷下改性纤维易伸长,小负荷下易收缩,与未改性纤维的差别随负荷减少而减小,500℃以上,两种纤维应变速率变化趋势相近.热应力和热应变是纤维在碳化过程中聚集态结构、化学组成、热化学反应能力的综合体现.与热应变相比,热应力的变化趋势更显著,因而可采用控制碳化过程中纤维热应力的变化控制连续制备中纤维结构的变化.经KMnO4改性PAN纤维制取碳纤维的抗张强度比未改性纤维增加了约20%.

碳纤维/聚苯并噁嗪复合材料的界面与力学性能的关系研究

本文采用含不同上胶剂的碳纤维与苯并口恶嗪树脂复合,制备碳纤维/聚苯并口恶嗪单向复合材料,研究了碳纤维表面上胶剂对于复合材料的层间剪切强度(ILSS)、弯曲性能、断口形貌及动态机械性能的影响。结果表明,含有环氧树脂上胶剂的碳纤维/苯并口恶嗪树脂基复合材料(EPCF/PBZ)的ILSS和弯曲性能优于含非环氧类树脂上胶剂的碳纤维/苯并口恶嗪树脂基复合材料(VECF/PBZ)和不含上胶剂的碳纤维/苯并口恶嗪树脂基复合材料(USCF/PBZ)。环氧树脂上胶剂改善了纤维与苯并口恶嗪树脂的粘结性能,使复合材料的内耗峰峰高降低,能量损耗减小。电镜照片同样验证了这一结果。

PAN纤维在特征碳化温度下的反应特性

通过TG-MS、XPS和元素分析等手段研究了低温碳化PAN纤维的碳化特征温度以及特征温度下纤维的反应特性。1100℃为高温碳化反应的特征温度,纤维在此温度下存在最大失重速率,1100℃后纤维裂解释放的主要是氮气。1100℃延长时间,纤维中氨基/亚氨基氮、吡啶氮和类石墨氮都不断减少,部分吡啶氮转化为类石墨氮。1100℃处理后纤维密度大幅度增长,恒温24s后迅速减小;恒温24s内纤维中石墨微晶晶面尺寸随时间延长迅速增大,24s后增长速率逐渐变缓;1100℃进行恒温热处理,24s前以缩聚反应为主,24s后以裂解反应为主。

中间相沥青基碳纤维镀镍制备吸波材料

为制备中间相沥青基镀镍碳纤维,本文对比研究了电磁搅拌法和超声波法两种镀镍工艺,结果表明,两种工艺均可制备出表面镍含量较高的碳纤维,但超声波法制备的镀镍碳纤维的连续性优于电磁搅拌法,适合后续结构型吸波复合材料的制备。对镀镍碳纤维的电磁性能的研究发现,镀镍后碳纤维的电损耗参数下降,磁导率提高,利于低频带吸收。利用中间相沥青基镀镍碳纤维制备出树脂基复合材料,对其吸波性能进行测试,研究结果发现:以镀镍纤维层间全平行排布铺层制备的复合材料与未加镀镍碳纤维的相比,同时提高了在低频带和高频带的吸波效果,在14.88GHz吸收峰峰值为-27.62dB,低于-5dB的累积频宽约为14GHz,低于-10dB的累积频宽约为6.5GHz,吸波效果明显。

铁元素对PAN碳纤维热行为的影响

提出了制备渗铁PAN碳纤维的一种新方法,研究了铁元素对碳纤维热行为的影响,探讨了铁元素对碳纤维热行为影响机理。结果表明,在初生纤维上浸渍Fe2(SO4)3/DMSO溶液的方法制备得到的PAN碳纤维中元素铁含量在0.26%以上,其在纤维截面上分布均匀。铁元素对碳纤维热稳定性影响与碳纤维经历的热历史有关,在1700℃以上热处理过的渗铁碳纤维热稳定性较之2200℃热处理过的碳纤维热稳定性高。同时,铁元素对碳纤维热稳定性表现出浓度效应,碳纤维中铁浓度在49μg/g以上时,碳纤维耐热氧化能力随铁元素浓度的升高而降低。研究还表明,铁元素能降低了PAN碳纤维表面C1s费米能级,从而提高了碳纤维耐热氧化性。

碳纤维在不同电解质体系下的电化学表面改性

使用电化学氧化法对PAN基碳纤维进行表面改性,通过扫描电子显微镜(SEM)、Raman光谱和X射线光电子能谱仪(XPS)表征了碳纤维表面物理化学结构,同时结合力学性能分析,评价了碳酸氢铵、硫酸铵和复合铵盐溶液3种电解质体系的改性效果。实验结果表明,碳酸氢铵溶液下的电化学改性有利于界面粘结强度的提高,而硫酸铵溶液下的电化学改性有利于降低抗拉伸强度的损失,当采用复合溶液改性时,则可以同时提高碳纤维的抗拉伸强度和其复合材料的抗层间剪切强度。

碳纤维制品结构分析及其用作锂离子电池负极材料性能研究

通过X-射线衍射(XRD)和N2-BET法对材料结构进行分析,研究了其结构及用作锂离子电池负极材料的性能。结果表明,在一定范围内碳材料的容量与其层间距成正比关系;比表面积的大小与材料的容量有一定的关系;中孔率的提高有利于碳材料容量的增加。

毛纺面料后整理用碳纤维面状发热电压板的研制及应用

研究了毛纺面料后整理电压工序的碳纤维面电压板的电学性能、远红外特性及使用性能 ,结果表明 :采用以碳纤维面状发热材料为加热元件的电压板 ,具有功率密度—表面温度成线性关系、远红外辐射传热和长期使用电性能稳定等特点 ,可在毛纺面料后整理的电压工序上使用 ,提高产品的质量。

高性能碳纤维及其复合材料在绿色能源建设及节能减排中的重要作用

碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构／功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。

中间相沥青基碳纤维表面TaC涂层的研究

采用溶胶-凝胶(sol-gel)法在中间相沥青基碳纤维的表面制备了碳化钽(TaC)涂层。运用FTIR对钽溶胶、凝胶的特征基团进行了分析,借助X射线衍射、扫描电镜分析TaC涂层纤维的物相组成和微观结构,并利用热失重研究了涂层对碳纤维抗氧化性能的影响。研究结果表明,经过二次涂层,1600℃热处理后,碳纤维表面的TaC涂层均匀致密,无明显孔洞,呈连续的层状结构,涂层厚度约为150nm,且涂层中存在大面积的白色TaC颗粒。研究结果还表明,二次涂层后碳纤维起始氧化温度比无涂层碳纤维提高了250℃,且纤维在800℃以下几乎没有明显的失重,氧化终止温度也提高到870℃,该涂层提高了碳纤维的抗氧化性能。

电化学阴阳极交变处理对碳纤维表面组成和微观结构的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)方法,尝试将电化学阴阳极交变技术应用于碳纤维表面处理,研究了电化学阴阳极交变处理对PAN基碳纤维表面组成和微观结构的影响。结果表明,电化学阴阳极交变处理使碳纤维表面沟槽加深,可以增加碳纤维与基体的锚固作用;表面C含量降低而O含量升高,表面含氧官能团中COOH含量明显增加,而C-OH含量减少,增大了碳纤维的表面活性,使其更有利于与基体以化学键的形式结合;同时电化学阴阳极交变处理碳纤维过程中阴极产生的氢能渗入碳纤维内部,使碳纤维晶体结构的微观尺寸发生变化,(002)晶面间距d(002)增大,堆垛厚度Lc增大,使得碳纤维直径增大。处理后层间剪切强度(ILSS)明显增加以及部分组别碳纤维的拉伸强度(Tensile strength,TS)增加。