纳米料技:防止复合材料开裂新法

由碳纤维制成的复合材料，因其坚韧轻巧的特性备受航空航天工程师们的青睐。但遗憾的是，复合材料会随时间的逝去而老化变质，失去应有的性能；加之长时间的风吹雨打而侵袭粘合碳纤维层的胶水．最终导致碳纤维层因脱胶而剥落。许多人曾尝试解决这一问题，但都没能成功。现在有了一种新方法，即把碳纤维层缝合在一起，可以有效防止因脱胶而导致的纤维层剥落问题。     

碳纤维树脂基复合材料的高性能化

碳纤维及复合材料是关乎国家安全必须自主保障的关键战略材料,而树脂基(含量在35%以上)是碳纤维树脂基复合材料的两大材料基元之一,直接决定着复合材料的服役性能与成型工艺性.北京化工大学先进复合材料研究中心(AdvancedCompositesCenter,ACC)团队针对碳纤维用高性能树脂基体国产化存在品种缺乏及不成系列等突出问题,面向国家重大战略需求,在解决国家碳纤维树脂基复合材料的"无"和"有"的"顶天立地"方向上开展了一系列基础理论和应用基础研究,推动了国产碳纤维从"能用"向"好用"的质的飞跃,支撑了国内碳纤维树脂基复合材料研究由跟踪仿制的"跟跑"到自主创新的"并跑"的根本转变,取得了一系列重要创新成果.本文简述了ACC团队近10年在碳纤维专用树脂分子结构模拟设计及交联网络调控、碳纤维树脂基复合材料界面相容新机制的探究、碳纤维树脂基复合材料多级增韧增强方法学的构建、碳纤维高性能树脂基体的制备技术发展及碳纤维树脂基复合材料成型工艺的创新及其产品工程等方面的基础研究成果及关键技术突破,并对碳纤维树脂基复合材料高性能化的发展方向进行了展望.     

AlN/碳纤维混合填充橡胶复合材料的导热性能

高导热橡胶复合材料由于其具有耐腐蚀、电绝缘等优点,被广泛应用于航空、航天、电子等需散热的工业领域中.在橡胶基体中填加高导热填料是提高复合材料导热性能的最有效、最常用的方法,通常采用单一填料如炭黑、金属粒子、碳纤维、碳纳米管等填充橡胶基体,但单一填料填充时往往需要高填充量来获得高导热性能,造成工艺复杂、生产成本高等问题.本文采用两种混合填料填充橡胶基体,考虑填充型复合材料的微观结构形态与填料空间位置的随机性,基于随机顺序添加算法与均匀化理论,建立球形氮化铝(AlN)和碳纤维(Nippon CN-90)混合填料填充复合材料的三维随机代表体积单元RVE(representative volume element)模型.运用ANSYS软件对其进行数值模拟研究,讨论了两种填料空间分布、体积配比以及填料含量对复合材料导热性能的影响.结果表明,由于碳纤维具有明显的取向性,混合填充复合材料各方向上的热导率表现出差异性,各方向热导率的平均值可宏观表征复合材料的热导率;球形AlN和碳纤维混合填充复合材料时,碳纤维对复合材料热导率起主导作用,复合材料热导率与填料体积配比大致呈线性增长关系;碳纤维填充体积分数一定时,球形AlN含量增加,复合材料热导率缓慢增大,球形AlN填充体积分数一定时,碳纤维含量增加,复合材料热导率迅速增大;混合填充可以在较低碳纤维体积分数情况下获得更高导热性能的复合材料.     

力争下游——记上海2012“科技创新行动计划”的碳纤维复合材料项目

＂一代材料、一代产业.＂自20世纪60年代问世以来,碳纤维复合材料先是在航空航天、体育用品领域获得广泛应用,之后在新能源、汽车、交通、海洋、建筑以及其他工业部门快速普及.进入21世纪后,碳纤维复合材料在越来越多的领域取代金属及合金材料,成为国民经济及国防军工不可缺少的先进材料.根据目前的发展态势,碳纤维复合材料发展的好坏,已经关系到一个国家在制造业领域的国际地位.     

碳纳米管/碳纤维跨尺度界面增强体系构建的研究进展

伴随着国防工业、先进装备制造等领域的不断发展,人们对复合材料的应用要求不断提高.碳纤维增强复合材料因其具备高强度、轻量化、长寿命的特点,与该领域材料的使用要求产生了高度适配.但在实际应用过程中,碳纤维惰性表面与聚合物基体间的弱界面结合严重影响了复合材料优异性能的充分发挥.构建微尺度、多维度碳纳米管/碳纤维界面增强体系被认为是提高相间结合能力的有效技术手段.本文综述了化学气相沉积、电泳沉积、化学接枝、浸涂喷涂4种较为成功的构建路线,讨论了碳纳米管在碳纤维表面的差异化微观沉积形貌所对应的不同界面增强机理,探讨了界面增强体系对复合材料综合性能的影响,并对该体系未来的构建和研究方向进行了展望.     

CF/PPS复合材料界面效应的研究

碳纤维增强热塑性塑料是一种很有发展前途的复合材料,因为,它不仅具有高比强度和比刚度,而且还具有高韧性、热稳定性和容易加工.纤维增强塑料的性能对于纤维-树脂之间界面性质的影响是很敏感的.纤维-树脂复合材料的界面效应很大地取决于纤维表面的物理和化学特征、树脂性质和复合的工艺条件.但是,决定着整个复合材料机械性能及其断裂的微观结     

高性能轮胎用橡胶纳米复合材料的制备与性能

"节油、安全"的高性能轮胎已成为世界汽车轮胎的发展趋势.构成轮胎的橡胶复合材料中,胎面胶、钢丝圈垫胶和气密内衬层胶等高性能纳米复合材料是发展节油轮胎的关键材料.胎面胶是轮胎与路面直接接触的部分,要求具有低滚动阻力、高抗湿滑性能和优异的耐磨性;钢丝圈垫胶位于钢丝圈上端,起到填充和加强胎圈的作用;气密内衬层胶贴覆在轮胎内表面,起到保持轮胎气压的作用.本文主要介绍了近年来胎面胶用白炭黑/橡胶纳米复合材料、钢丝圈垫胶用针状硅酸盐/橡胶纳米复合材料、气密内衬层胶用黏土/橡胶纳米复合材料,以及含碳纳米管和石墨烯增强的新型橡胶纳米复合材料的制备方法、性能特点及应用状况,并对将来的发展进行了展望.     

科学发现

"梦想"飞机的安全性近日,曾在波音公司任职的工程师文斯·韦尔登称,波音公司最新研发的787"梦想"飞机安全性能不佳。韦尔登的论据是,该客机大量采用了碳纤维复合材料,在撞击中机身容易破碎,并可能在燃烧后释放出有毒的化学物质,因而易导致更多人员在事故中丧生。韦尔登称,与柔韧性很好的铝材相比,碳纤维复合材料非常易碎。他以近期发生在日本的航空事故为例说,虽然当时客机在机场起火,但因为机身采用了铝制材料,旅客们最后都安全脱身。韦尔登和其他一些专家还认为,碳纤维复合材料的机身将无法抵御闪电袭击,燃烧时会释放出有毒的烟雾,使飞机很容易在没有任何明显预兆的情况下受到重创。波音公司发言人则表示,韦尔登的说法并不正确。     

复合材料力学

复合材料力学是近二三十年才发展起来的一门新兴学科,随着现代工业和尖端技术的迅速发展,它越来越受到人们的重视.复合材料力学的研究跟国民经济和国防建设有着极为密切的关系.一些国家已经成功地把玻璃纤维增强复合材料应用在多种型号的固体火箭部件,如美国的北极星A-3和民兵式导弹的发动机壳体、大力神导弹的高压气体储存容器,法国的钻石A和钻石B导弹的第三级发动机壳体以及一些直升机部件等;把高模量的碳纤维增强复合材料应用于导弹级间壳体,把铝-硼复合材料用于宇航结构;把玻璃钢用来制造汽车、机车的车身及其配件,制造石油管道和油缸,制造煤矿支柱,电机护环,带电操作工具,高压容器的气瓶等.可见复合材料力学的研     

Ni催化甲烷裂解生长碳纤维

碳纤维是一种高性能增强纤维,在发展高级复合材料中起着重要的作用.气相生长碳纤维(vapor-grown carbon fiber,VGCF)的强度、杨氏模量和传导性均显著地优于已工业化的聚丙烯腈法或沥青法制备的碳纤维.文献报道的Fe催化甲烷裂解制备VGCF的反应温度高于1000℃;使用Ni催化剂时,在500℃只生成了少量的须状碳.吴兴亚等人对Ni催化剂在正庚烷水蒸气转化过程的积碳反应的研究中,发现在550℃可以生成相当量的碳纤维;最近师江柳等人对Ni催化剂在含甲烷气氛的积碳反应的研究中,发现在450℃即可生成须状碳.实验采用商品Ni催化剂(Ni含量24%),使用原位动态热磁天平反应装置(竖管式石英反应器,混合气CH_4/H_2=9∶1, 流速50mL/min),在500℃即可生成较大量的碳纤维(Ni催化剂颗粒如果为很厚的碳物种所覆盖,则将失去活性);与使用Fe催化剂相     

形状退磁因子对层状磁电复合材料的影响

传统层状磁电复合材料理论模型认为层状磁电复合材料的磁电性能只与压电和压磁原材料以及层厚比有关, 而与其面内尺寸(长度和宽度)无关. 研究了面内尺寸对层状磁电复合材料的磁电性能的影响. 结果表明, 层状磁电复合材料的磁电性能强烈依赖于其面内尺寸, 根本原因是由于尺寸的变化导致了形状退磁因子的变化, 从而引起磁电性能的变化. 从理论和实验上证明了随着面内尺寸的变化, 磁电性能将明显变化. 随着面内尺寸的增加, 层状磁电复合材料的磁电性能将逐渐增加. 这可为磁电器件的合理设计提供依据并推动磁电器件的发展.     

纳米羟基磷灰石/聚合物生物复合材料体内外生物活性研究

当生物活性材料植入体内后, 在其表面可以形成一层类骨磷灰石. 这层类骨磷灰石对于组织与材料之间形成骨键合至关重要. 研究了纳米羟基磷灰石/聚酰胺在体内和体外环境下表面形成类骨磷灰石的情况, 考察了兔体内复合材料植入体与周围骨组织的界面. 结果显示, 在体外模拟体液中和植入兔背部肌肉内, 复合材料表面都可形成类骨磷灰石. 当植入兔皮质骨时, 复合材料可与自然骨形成紧密结合, 中间没有纤维组织. 研究表明, 纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料具有良好的生物活性, 是一种良好的骨替换材料.     

苯乙烯-马来酸酐共聚物/高岭土纳米复合材料的制备及其表征

报道了直接将苯乙烯、马来酸酐共聚物单体, 层插进入二甲基亚砜(DMSO)改性的高岭土层间, 原位聚合, 并使之剥离的方法. 采用X射线衍射(XRD), 透射电子显微镜(TEM)的方法考察了苯乙烯、马来酸酐的原位聚合层插、剥离方法所制得的高聚物/高岭土纳米复合材料的微观结构. XRD分析结果表明, 表征层间距的d₀₀₁值随聚苯乙烯-马来酸酐(PSMA)进入了高岭土的层间而增大, 直至完全剥离, 高岭土的特征峰消失. 从透射电子显微镜图像可以看出, 高岭土被剥离并以纳米级片层分散在高聚物的基体中. 改性高岭土表面与PSMA分子链间的相互作用则由红外(FTIR)分析结果得到引证. 热失重分析(TGA)结果则显示纳米复合材料的热稳定性能得到显著的提高.     

碳纤维布加固桥梁施工技术

碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面,使两者共同工作,提高结构构件的(抗弯、抗剪)承载能力,由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的.文章以2孔19m钢筋混凝土框架加固为例,介绍了碳纤维布在桥梁加固中的施工技术,并对碳纤维布加固桥梁作了进一步的探讨.     

氧化石墨/聚吡咯复合材料的制备及其电化学性质

利用原位聚合制备了氧化石墨(graphite oxide, GO)/聚吡咯(polypyrrole, PPy)纳米复合材料(GPYs), 探讨了吡咯与GO的投料比对GPYs的结构以及电化学性能的影响. 利用傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及X-射线衍射(XRD)技术对复合材料的结构进行表征; 利用循环伏安、恒电流充放电以及电化学阻抗技术测试复合材料的电化学性能. 实验结果表明, 当吡咯加入量较多时(GPYs20 (吡咯/GO = 80:20)与GPYs50 (吡咯/GO = 50:50))会导致复合材料中PPy 和GO 层的团聚, 这会降低PPy 在GPYs20与GPYs50 中的比电容贡献值. 当吡咯与GO的投料比低至20:80 时, 复合材料中具有纳米纤维状形貌的PPy 均匀分散于脱落的GO 层表面/层内, 所得到GPYs80 的导电性得以提高. PPy在GPYs80 的比电容贡献值(383 F/g)比纯PPy (201 F/g)高, 表明GO和PPy 之间存在协同效应.     

中空多壳层结构TiO2及其复合材料的合成及应用

中空多壳层微、纳米分级结构材料因具有比表面积大、密度小及结构稳定等优点,在多个领域受到广泛关注.二氧化钛(TiO_2)作为一种安全性高、稳定性好的环境友好型半导体材料,被广泛应用于锂离子电池、染料敏化太阳能电池、光催化等领域.在这些领域,中空多壳层结构TiO_2及其复合材料能够利用中空多壳层结构的诸多优点,如优异的结构稳定性能够提升锂离子电池的循环性能,中空多壳层结构对光的多级散射作用能够提高对光的利用率,从而提升太阳能电池及光催化性能.然而,对其实现更精确的控制合成仍然面临挑战.为了实现对优异性能的进一步追求,精细调控中空多壳层结构TiO_2及其复合材料十分重要,但仍少有报道重点对中空多壳层结构TiO_2进行总结.本文首先介绍了TiO_2的基本信息,随后总结了近年来对中空多壳层结构TiO_2及其复合材料在合成方法及应用方面的研究进展,最后对该研究领域进行了总结与展望.通过本文,可以综合了解基于TiO_2的中空多壳层结构材料的合成方法,为实现精细控制合成及性能调控提供参考与方向.     

氧化钛/氧化石墨烯复合结构及其光催化性能

采用氧化石墨和硫酸钛作为初始反应物, 在低温下(<100℃)制备得到了纳米级的氧化钛-氧化石墨烯插层复合材料, 即TiO₂-Graphene Oxide intercalated composite, 可记为TiO₂- Graphene Oxide. 这种材料是以经碱溶液剥离后单层和多层的氧化石墨混合物(即氧化石墨烯)作为负载, 由Ti(SO₄)₂水解生成的[TiO]²⁺基团通过静电吸引扩散进入到氧化石墨烯层间, 在低温条件下成核生长, 形成了TiO₂-Graphene Oxide插层复合材料. 同时,还研究了这一复合材料的紫外光催化性能, 结果表明, 在采用TiO₂-Graphene Oxide插层复合材料对甲基橙溶液进行紫外光催化降解时, 其降解效率达到η=1.16 mg•min⁻¹•g⁻¹ (此为复合材料15 min内对甲基橙的降解效率), 明显优于同等条件下P25粉的降解率η=0.51 mg•min⁻¹•g⁻¹.还对TiO₂-Graphene Oxide插层复合材料的可重复使用性能和稳定性能进行了研究. 最后, 通过对TiO₂-Graphene Oxide插层复合材料进行XRD, XPS, TGA, ESEM和HRTEM测试, 表征了产物的晶相、界面状况、热性能及其显微结构, 并分析了这一复合结构对改善光催化性能的主要影响因素和作用机理.     

剥离型黏土/液体橡胶纳米复合凝胶

聚合物，黏土纳米复合材料南于萁优异的机械强度、热稳定性和气体阻隔性，近年来受到了广泛的关注，当黏土片层分散在聚台物基体中，可获得两种类型的结构：插层型和剥离型复合材料相对插层型复合材料．剥离型纳米复合材料中黏土的纳、水片层更加均匀地分散在聚台物的基质中．因而表现出更     

气凝胶复合材料中遮光剂及纤维的掺杂方法

二氧化硅气凝胶广泛用于各种航天器、飞行器的热防护中,添加遮光剂或纤维能大大改善其在高温下的隔热性能.本文通过计算辐射特性得到遮光剂和纤维不同温度下的最佳掺杂粒径,在复合材料等效热导率最小时得到最佳掺杂量,并应用优化结果设计了具有温度梯度的多层掺杂方案.研究发现:遮光颗粒和纤维的最佳掺杂直径随温度增加而减小,掺杂量随温度增加而增加,研究的4种遮光剂(碳黑、SiC、ZrO_2和TiO_2)中,碳黑具有最好遮光效果,但高温下会被氧化,SiC在高温下具有较好的遮光效果;石英纤维多层掺杂具有最小有效热导率,碳黑与SiC遮光剂和石英纤维共同掺杂对辐射传热的抑制最强.气凝胶复合材料背温实验结果有效证实了掺杂优化方法的正确性.     

静高压对Al/Fe-Mo-Si-B纳米合金多层复合材料的影响

工作已取得较大的进展.将这种薄带纳米合金与具有较好韧性的金属粘接,制成金属/纳米合金多层复合材料,既具有较好的力学性能,又不破坏纳米合金的结构和性能,因而有利于纳米合金材料的实际应用.研究静高压在多层复合材料的制备过程中对纳米晶体的形成、性能、金属/纳米合金界面相的形成及扩散反应速率的影响,在理论研究上和实际应用上都具有重要的意义.