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。

纳米纤维在膜应用中的研究进展

静电纺丝技术具有普适性,操作简便,可调控纤维直径,制备纳米级到微米级的纤维材料等特点。采用静电纺丝技术制备的纳米纤维膜是一种拥有特殊三维网络状微孔结构的材料,具有孔隙小、比表面积大等优点,在个人防护、清洁能源、生物医疗、电子传感等领域具有广泛的研究。基于此,综述静电纺纳米纤维在防水透湿膜、污水处理膜、电池隔膜、柔性可穿戴传感器、空气过滤膜中的应用,并展望静电纺纳米纤维的发展趋势。

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。

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。

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。

不同初始结构碳纤维石墨化进程趋同性研究

为优化碳纤维的石墨化工艺,利用拉曼光谱对碳纤维在石墨化过程中的结构变化进行了研究,分析比较了两种碳纤维石墨化进程的异同.结果表明:纤维在高温下发生脱氮与石墨化转变反应,脱氮反应会在石墨微晶中留下分子级空洞,氮原子脱除越多,微晶内空洞越多;石墨化转变促使石墨微晶生长、结构完善.两种纤维氮元素含量不同造成其初始结构不同,氮含量越低,纤维石墨化程度越高.氮原子脱除程度不同引起两种纤维石墨化进程存在差异,热处理温度高于1 800℃时,不同初始结构碳纤维中的氮原子都脱除完全,纤维中碳化学结构趋于相同,石墨化进程出现趋同性.

硝酸法和亚砜法生产PAN基碳纤维的工艺技术对比分析

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的生产方法主要有硝酸法和亚砜法,两种工艺路线均为均相溶液聚合、湿法纺丝、热处理,生产工序及装置相同,但在聚合和纺丝工序存在工艺技术区别;对比分析两种工艺路线中聚合和纺丝工艺的技术特点及其对热处理工艺和碳纤维质量的影响。结果表明:硝酸法以硝酸作为均相溶剂,采用复合引发剂体系,亚砜法以二甲基亚砜作为均相溶剂,采用单一引发剂偶氮二异丁腈;硝酸法采用的溶剂和引发剂带入到碳纤维生产过程中的杂质较多,在纤维进行热处理时,金属离子的逸出造成了碳纤维的结构缺陷,降低了碳纤维的力学性能;亚砜法生产的碳纤维内部结构更加均一,纤维力学性能优于硝酸法,纤维拉伸强度比亚砜法的高0.5~1.0 GPa;生产PAN基碳纤维,亚砜法要比硝酸法的工艺更安全,对终端产品碳纤维的质量控制更有利,硝酸法将逐渐被淘汰,亚砜法逐渐成为主流技术。

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。

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。

国产碳纤维微晶结构与缺陷结构研究

利用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)及能谱仪(EDS)对比研究了市售某国产碳纤维与日本东丽T300碳纤维的微晶结构与缺陷结构。结果发现,国产碳纤维的晶面层间距d002、微晶堆叠厚度Lc及微晶宽度La等参数与T300相当;但国产碳纤维晶区取向度π%更高,国产碳纤维中存在明显的洋葱结构,微晶条纹间的平行性与T300相比较差,国产碳纤维中存在Ca、Si、S等杂质元素。

异形截面复合导电涤纶纤维的制备及性能

设计并制备了规格为22 dtex/3 f的4种不同截面(一字型、两点型、三点型、皮芯型)导电涤纶纤维,并对纤维截面形状、成品颜色、取向度、拉伸性能、导电性能、热稳定性等进行了测试与比较。结果表明,无论选用何种截面,加入碳纳米管/炭黑导电母粒后纤维均具有优异的导电性能(单位电阻处于10~7Ω/cm);相较于皮芯型导电纤维,选用异形截面(一字型、两点型、三点型)在一定程度上降低了纤维内部的均匀性,增加了纤维在制备过程中的取向难度,导致制备得到的纤维取向度以及拉伸断裂强度略有降低,但4种纤维的热稳定性差异不大;异形截面导电纤维能够得到与皮芯型导电纤维相近的导电性能,但由于异形截面导电纤维中裸露在外的碳纳米管/炭黑导电组分减少,其纤维成品颜色明显浅于皮芯型导电纤维,扩大了该类导电纤维的应用范围。

PAN纤维高温环境下氮结合态演变规律的研究

通过使用XPS和XRD等表征手段研究了经低温碳化后PAN纤维中氮结合态的高温演变规律,推测了其反应机理,探讨了由氮结合态的演变所引起的纤维结构变化。结果表明:经低温碳化后PAN纤维中的氮主要以吡啶氮、叔胺氮和氨基/亚氨基3种结合态存在,当热处理温度在700℃以下时,纤维中吡啶氮含量最多;随着温度的升高,氨基/亚氨基和吡啶氮含量逐渐减少,而叔胺氮含量先呈增加趋势,温度升高到1000℃以后时,叔胺氮含量迅速下降;1300℃以后,纤维中的叔胺氮含量最多;PAN纤维中的氮以叔胺氮形式存在更有利于平面六元碳网的逐步完善。

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.

碳纤维的电化学表面改性及其表面结构演变

采用电化学氧化法对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行表面改性,联用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS),表征了碳纤维表面物理化学结构。结合力学性能分析,评价了碳酸氢铵、氯化铵和硫酸铵三种电解质的改性效果,解释了碳纤维表面薄弱层产生的原因,分析了电化学改性碳纤维表面的机理。结果表明,在电化学改性过程中,碳纤维表面活性氧含量呈现梯形变化趋势,最高增幅达87.8%,而活性氮含量则不断增加直到饱和,可达到2倍增幅;相对于羧基等含氧基团,碳纤维复合材料(CFRP)层间剪切强度(ILSS)对胺基等含氮官能团更加敏感;当电解质中存在二价阴离子时,有利于减小碳纤维抗张强度的损失,甚至使其得到提高。

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。

碳纤维制造过程中径向差异表征及演变机理

为优化PAN基碳纤维结构,采用AES表征PAN纤维在低温碳化与高温碳化后C,N,O沿纤维径向的分布,并用以阐明预氧化碳化过程径向差异的形成机理.结果表明:预氧丝径向结构不均匀,由外向内氧化程度降低;预氧时物理阻隔与化学阻隔导致径向形成氧浓度梯度,热物理传递与化学反应放热导致径向形成温度梯度.低温碳化时,热物理传递与化学反应放热形成温度梯度加剧了预氧时的径向差异;纤维分3部分,最外层氧含量低,由氧化程度高的预氧皮层外部强烈脱氮脱氧形成,最内层由氧化程度低的预氧芯层转化而成;中间是过渡层,一部分由氧化程度较高的预氧皮层内部少量脱氧脱氮而成,氧含量高,而后过渡到预氧程度低的低含氧量芯部.高碳丝径向组分差异变小,纤维分两部分,外层厚度仅为纤维直径的10%,是碳含量逐渐降低的过渡性皮层,其余部分为组成均一的芯层.