电化学处理程度对碳纤维结构及性能的影响

采用质量分数为5%NH4HCO3溶液对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行不同程度的电化学处理。采用X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)表征电化学处理前后碳纤维表面化学成分和表面微观结构的变化规律。将碳纤维样品与环氧树脂制成复合材料,探究该复合材料的层间剪切强度(ILSS)。研究结果表明:经过3组电化学处理后,碳纤维表面含氧官能团增多、表面有序度下降、复合材料的ILSS提高1.94倍;继续经过3组电化学处理,碳纤维表面含氧官能团下降、表面有序度回升、复合材料的ILSS提高1.53倍;纤维表面含氧官能团含量越多,纤维的结构破坏程度越低,碳纤维/环氧树脂复合材料的ILSS越高。在大规模电化学处理碳纤维过程中,选择3组电化学处理碳纤维,既能大幅度改善碳纤维表面活性,又不会严重影响碳纤维的表面结构。     

电沉积Fe-P合金镀层催化碳纤维石墨化研究

研究了电沉积Fe-P合金镀层对碳纤维的催化石墨化效果以及镀层组成对催化石墨化温度的影响.采用X-射线衍射、拉曼光谱及扫描电子显微镜等方法表征了空白样碳纤维与含Fe-P合金镀层碳纤维经不同温度热处理后的结构变化.研究结果表明,Fe-P合金对碳纤维的石墨化具有显著的催化效果.含Fe-P合金催化剂(P质量分数为7%)的聚丙烯腈基碳纤维经1 000℃热处理后,其石墨化度可达到71%,而不含Fe-P合金的空白样碳纤维经2 800℃热处理后石墨化度仅为30.1%,Fe-P合金催化剂大幅度降低了碳纤维的石墨化温度.同时,碳纤维的石墨化度随着Fe-P合金催化剂中P质量分数的增加而增大;随着Fe-P合金电沉积时间的延长而增大,直到镀层厚度达到一定值.本文还就Fe-P合金对碳纤维的催化石墨化机理进行了讨论,结果表明Fe-P合金对碳纤维的催化石墨化遵循溶解-析出机理.     

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。     

电化学氧化后碳纤维的表面性质

研究了粘胶基碳纤维在不同电解质中经过电化学氧化后的润湿性能和BET比表面,并用XPS分析了电化学氧化前后碳纤维的表面基团。实验结果表明,电化学氧化可以明显增加碳纤维的润湿性能和比表面积。XPS的分析结果表明,经过不同电解质电化学氧化后碳纤维表面含氧基团的增加,尤其是强亲水性羧基的增加是碳纤维表面润湿性能提高的主要原因。     

不同氧化程度的掺硼金刚石膜电极的电化学性能及电荷转移速率研究

通过阳极电化学氧化法, 制备不同氧化程度的掺硼金刚石膜(BDD)电极, 并对其进行表征。分别采用循环伏安法和 Mott-Schottky 曲线, 研究不同氧化程度的 BDD 电极的电化学性质和电荷转移速率。扫描电子显微镜和拉曼光谱分析表明, 氧化后的 BDD 电极形貌和晶型结构几乎未发生变化, 但 EDX 能谱分析发现BDD 表面氧含量明显增加。循环伏安法和 Mott-Schottky 曲线阳极电流法研究发现, 电荷转移速率随氧化程度的增大而逐渐增大。接触角实验进一步证实, 随着 BDD 电极氧化程度的增加, 接触角减小, 电极表面亲水性逐渐增大, 因此以阳极电流方式表示的电荷转移速率增大。然而, Mott-Schottky 曲线以氧化还原电位差方式表示的电荷转移速率随氧化程度的增大, 先增大, 后减小, 这是由于在不同的氧化时间下, 表面基团的种类及其各成分在总含氧量中所占比例不同, 因此产生的电荷转移速率也不相同。     

碳纤维骨架石墨烯导电导热薄膜的制备及表征

在对碳纤维进行除浆和预氧化的基础上,将其与中间相沥青甲苯溶液混合,通过抽滤法制备碳纤维薄膜骨架,二次抽滤氧化石墨烯填充到碳骨架之间,经热处理后制得具有三维网络结构的自支撑G-CF-MP复合薄膜.探索和分析了不同碳化和石墨化温度对薄膜材料形貌、导电性以及导热性能的影响.通过结构表征发现,碳纤维之间相互搭建构成高机械性能的碳骨架,碳纤维表面以及纤维之间的空隙被石墨烯均匀地包覆和填充,中间相沥青在达到软化点后呈现出流动性和黏性,充分润湿碳纤维与石墨烯之间的间隙,3种碳材料协同作用,从而获得了高机械强度以及高导电性的G-CF-MP复合薄膜材料.导电性测试发现,石墨化处理可以有效提高材料的导电性,G-CF-MP复合薄膜在经过900℃碳化后的方阻为2.853Ω/sq,经过石墨化处理后的方阻降低为0.229Ω/sq.经过导热性能测试,G-CF-MP(900℃)的热导率为475.2 W/(m·K),G-CF-MP(2 300℃)的热导率为532.8 W/(m·K).     

PAN基碳纤维微结构特征的研究

利用X射线衍射（XRD）,拉曼光谱（Raman）对几种高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的微观结构进行了研究,并初步讨论了微观结构对碳纤维机械性能的影响机理。研究结果表明：高强（T系列）碳纤维的微晶约由5～6层石墨平面组成,高强高模（MJ系列）碳纤维的微晶约由10～20层石墨平面组成;晶区取向度是影响碳纤维模量的主要因素,影响碳纤维强度的主要因素随石墨化程度的不同有所改变。     

纳米尺度碳的微结构及电化学性质

采用高分辨透射电镜、X射线衍射表征了3种不同纳米尺度碳的石墨碎片微结构及其石墨化程度,并采用线性扫描、交流阻抗方法对由纳米尺度的碳粒制备电极的电化学性质进行了研究.结果发现:随纳米尺度碳粒石墨化度的减小,石墨碎片卷曲形态的清晰度增加,对应电极对甲醇的电化学氧化能力增强,氧化峰电流及电容值增加.由此认为:石墨碎片的卷曲和石墨化属于两种不同形式的碳原子有序化,二者均可对纳米尺度碳粒的电化学性质产生影响.     

循环伏安法对PAN基高模碳纤维阳极氧化表面处理的研究

以未表面处理的PAN基高模碳纤维(HMCF)为工作电极,分别用NH4H2PO4、NH4HCO3和KOH为电解质,进行循环伏安多重扫描,以研究HMCF在不同电解质中的电化学反应行为以及电解质的氧化能力。同时采用连续恒流阳极氧化的方法对HMCF进行表面处理,验证循环伏安法得到的结论。通过联碱滴定、SEM等方法表征处理前后纤维表面官能团、表面形貌的变化;处理前后纤维与环氧树脂界面粘接性能的变化通过层间剪切强度(ILSS)表征。循环伏安结果显示:在NH4H2PO4溶液中扫描时氧化反应峰值电流最高,表明纤维表面生成的官能团最多;在KOH溶液中扫描时平台电流最高,表明纤维表面粗糙度提高幅度最大。联碱滴定结果表明NH4H2PO4溶液处理后纤维表面官能团含量提高最多;SEM结果显示KOH溶液处理后纤维表面粗糙度增加最明显;这两点验证了循环伏安多重扫描的结果。用NH4H2PO4、KOH处理后的纤维与环氧树脂ILSS达到75MPa、60MPa,分别提高240%和170%。     

石墨化热处理过程中石墨制品的微观结构分析和理化性能表征

以经混捏+轧片、冷等静压成型以及焙烧等工序处理后的焙烧样品为原料,通过石墨化热处理后,考察焙烧样品经石墨化热处理前后的组织结构和理化性能.试验结果表明,经2 800℃热处理,焙烧样品的结构由杂乱无序的结构转化为有序的三维石墨结构,处理后样品的石墨化度达到62.79%.室温电阻率随石墨化度的增大而下降,随体积密度的增大而下降.同时相比石墨化处理前,抗折强度和抗压强度降低了50%以上.     

纳米SiC对C/C复合材料石墨化与抗氧化性能的影响规律

本文制备纳米SiC基体改性的SiC-C/C复合材料,利用X射线衍射技术、高分辨率透射电镜等研究SiC对碳材料的石墨化度的影响.纳米SiC能够显著促进碳基体材料的石墨化度,同时通过高分辨率透射电镜在纳米SiC颗粒周围观测到明显的石墨化结构,并且距离SiC越近,碳基体的石墨化程度越高.通过静态氧化实验研究SiC-C/C复合材料的抗氧化性能.结果表明,随着SiC加入量的增加复合材料的抗氧化性显著提高,纳米SiC在高温下生成较为均匀的SiO2保护层,覆盖在碳材料的表面,阻碍氧气与碳材料的接触,并且SiC含量越高,形成的保护层越厚,抗氧化能力越强.     

Gradient distribution of radial structure of PAN-based carbonfi ber treated by high temperature

High-performance graphite fibers were prepared and analyzed. The gradient distribution of radial structure of PAN-based carbon fibers was characterized by two different Raman test methods(incident laser beam perpendicular to and parallel to the fiber axis) and studied by the distribution of graphitization degree. Meanwhile difference between the two Raman test methods was used to describe the orientation of the graphite crystallite along the fiber axis. The results showed that the radial structure of PAN-based carbon fiber presented different gradient distribution states at different heat treatment temperatures,and the graphitization degree in the skin region changed more rapidly compared with the core region since the skin region was more affected by temperature which resulted in the obvious difference between skin and core structures.The difference of graphitization degree(Δg) characterized by two different Raman test methods increased with heat treatment temperature,indicating that the high temperature treatment(HTT) promoted further stacking of graphite crystallite,and the orientation degree of the graphite crystallite along the fiber axis was continuously increased.     

不同刹车压力下C/C复合材料的摩擦磨损性能

研究了粗糙层和光滑层2种不同热解炭与树脂炭混合基体炭/炭复合材料在不同制动压力下的摩擦磨损性能,且对摩擦表面与磨屑进行了SEM观察和分析,并采用X射线衍射与激光喇曼光谱测定了在不同刹车压力下摩擦表面的石墨化度.研究结果表明:C/C复合材料的摩擦因数由摩擦表面所形成的摩擦膜所决定,随着刹车压力的增大,摩擦膜更完整平滑,摩擦因数呈降低趋势,磨损则随刹车压力的增大而呈增大趋势;粗糙层结构C/C复合材料即使在高制动压力下,仍能具有较高的摩擦因数,显示出优良的高压摩擦性能;高压下摩擦表面会发生应力石墨化作用,这是高压下摩擦因数下降的原因之一.     

PAN基炭纤维高效催化石墨化研究

通过在磷酸和钼酸钠水溶液中交替直流电解,实现磷-钼元素催化剂在PAN基炭纤维上的沉积和分散,以促进其石墨化,考察了热处理温度和电解液中钼酸钠浓度对PAN基炭纤维催化石墨化的影响.催化剂的担载状况、纤维的形貌和结构变化等分别通过能量散射谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)进行分析和表征.结果表明:通过交替直流电解处理,可以有效地破坏炭纤维的组织结构,并同步实现催化剂在炭纤维上的分散和沉积,促进了PAN基炭纤维的催化石墨化.交替直流电解处理过的炭纤维经2 400 ℃热处理后,其石墨化度高达99%,微晶尺寸(L_c)为38 nm.