张学军实现碳纤维的更强功能

张学军北京化工大学研究员,主要从事新型碳材料的研究,研究方向包括：高模量碳纤维及其复合材料、沥青基碳纤维及活性碳纤维、燃料电池扩散层用碳纤维纸、介孔碳、球状活性碳等功能碳材料。2004年入选北京市科技新星计划。     

碳纤维材料的应用及产业化发展

碳纤维是由碳组成的纤维状材料,具有高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗蠕变、导电、传热等特性,既可用作承载负荷的结构材料,又可作为功能材料。 一、制造碳纤维的原材料及工艺 制造碳纤维的原料称为原丝,工业生产用原丝为沥青、聚丙烯腈(腈纶)、纤维素、纤维等。用纤维素纤维生产碳纤维,因成本过高已逐     

插层沥青基碳纤维的电学性能与结构

采用熔盐法，在ＣｕＣｌ２－ＫＣｌ系中得得较高电导率的插层沥青基碳纤维，与原始状态相比，插层后的沥青碳纤维Ｘ射线衍射图谱上的（００２）及（１０）衍射线的宽度减小，衍射宽度变小的机制是由于石墨层间化合物的形成，使沥青基碳纤维电导率增加。     

碳纤维材料在加固混凝土结构中的应用研究

随着碳纤维材料的技术的成熟，碳纤维材料（CFRP）已成为应用于土木工程加固修复中最广泛应用的一种高科技材料。本文简单介绍了碳纤维加固技术的发展，重点对CFRP加固混凝土结构原理及设计原则进行了探讨。     

国产高性能聚丙烯腈基碳纤维技术特点及发展趋势

 聚丙烯腈基碳纤维兼具高性能和低比重，是轻质高强、轻质高模等高端装备轻量化的首选材料，是高性能纤维的典型代表，受到世界各国政府、国防与工业领域、科技与产业界的高度关注。从聚丙烯腈碳纤维材料的结构性能特征出发，介绍了聚丙烯腈基碳纤维制备的工艺流程、结构与性能的相关性；从高强碳纤维被发明、高强中模碳纤维因需求牵引而研发成功、更高性能碳纤维的不断创新发明，直至进入新世纪后对高性能低成本化的重视，阐述了国际聚丙烯腈基碳纤维技术发展的4个关键阶段；分析了国产碳纤维通过自主创新，建立以二甲基亚砜为主、包含其他工艺技术的发展历程。从高强和高强中模碳纤维、高模和高模高强碳纤维、低成本大丝束碳纤维的国产化有序发展，展示了碳纤维国产化技术水平不断提高、碳纤维制备与应用不断融合的现状。最后结合国际技术发展动态和中国碳纤维技术积累基础，提出了开展颠覆性技术研究的建议，认为新型聚丙烯腈成纤技术、原材料创新和碳纤维制备过程新型热源技术等值得高度关注。     

粘贴碳纤维布在淮南东津渡大桥维修加固中的应用

碳纤维材料（CFRP）加固混凝土结构技术是一项新型结构加固技术。文章介绍了淮南东津渡大桥T梁碳纤维材料加固的设计方法、施工工艺、施工中的质量控制要点，供读者参考。     

CFRP片材在混凝土结构加固中的应用

碳纤维增强塑料（CFRP）加固修补混凝土结构技术是一项新兴的结构加固技术,它是利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土表面,从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。本文阐述了碳纤维布加固混凝土结构技术特点,分析了碳纤维加固方式,介绍了碳纤维加固混凝土结构的工艺流程、施工方法及注意事项,从而进一步推广碳纤维加固技术的应用。     

激光石墨化沥青基碳纤维的力学性能研究

为提升沥青基碳纤维的力学性能,采用自制的激光超高温石墨化装置对中间相沥青基碳纤维进行石墨化处理。通过改变实验过程中的激光功率、牵伸力及碳纤维直径等3个因素制备了多组样品,研究了沥青基碳纤维拉伸强度随温度的变化规律,并分析了石墨化过程中牵伸力及碳纤维直径对其力学性能的影响。结果表明：沥青基碳纤维石墨化能承受的最大激光功率为360 W,对应的温度约为3 050℃,在此条件下处理得到的碳纤维拉伸强度由1.0 GPa提升至2.5 GPa;在碳纤维的承受范围内,其力学性能随着温度、牵伸力的增加而提高;直径较小的碳纤维力学性能提升更大。     

不同掺和物对沥青混凝土路面融雪性能的影响

针对当下冬季传统道路除雪除冰方式的不足,以烟威地区降雪量数据为例,讨论了新型沥青混凝土导电路面与传统路面除冰除雪方式的差异,并对石墨钢纤维复合沥青混凝土路面和碳纤维电热格栅沥青混凝土路面进行了除冰实验对比,进而在碳纤维电热格栅沥青混凝土路面的基础上进行了改良。证明无论是出于安全考虑还是出于经济考虑采用埋设碳纤维格栅的沥青混凝土路面进行路面自融雪都是一种行之有效的方式。     

碳纤维复合材料在桥梁加固中的应用

本文介绍了碳纤维复合材料在桥梁加固中的应用。并对碳纤维复合材料性能及碳纤维复合材料加固桥梁的施工工艺做以探讨，指出碳纤维材料使桥梁工程加固技术研究更上一个台阶，必将被广泛应用。     

抗静电碳纤维复合材料的研制

研究了不同组份的碳纤维－聚氯乙复合材料的导电性，结果表明，该复合材料电阻率与碳纤维的含量及其的长度有关，研制出通用型沥青碳纤维－聚氯乙烯彩色塑料地板，该地板具有较好的抗静电及耐磨性能。     

热处理对中间相沥青-碳纤维 黏结界面相容性的影响

中间相沥青在碳化过程中轻组分不断逸出而发生剧烈膨胀,对以其为黏结剂或基体的碳纤维增强复合材料的界面结合性能有显著影响.利用TG、XRD和SEM等考察了预氧化条件对碳纤维的热稳定性、碳收率、晶体结构和纤维在乙醇水溶液中分散性的影响规律.从多个预氧化条件中甄选出以270℃保温150 min处理的氧化纤维进行碳化条件影响规律的考察.利用光学显微镜观察发现700～900℃碳化的碳纤维直径变化最显著.利用FTIR和SEM考察不同碳化温度碳纤维与中间相沥青黏结剂制备的碳黏碳纤维网络体的界面相容性.结果表明,500℃碳化的碳纤维与碳质黏结剂的结合紧密,结点平滑无裂纹,具有优异的界面相容性.500℃碳化的碳纤维与中间相沥青黏结剂在后续碳化处理中共同经历碳结构的主要形成阶段,可改善黏结界面,为提高材料性能提供有效途径.     

液晶中间相的流变性与高性能碳素材料的制造

沥青中间相的液晶特性和流变性对沥青碳纤维、Ｃ／Ｃ复合材料等高性能材料的制造,性能和结构有重要意义,强调了在玻璃相变温度附近的粘度变化,流动取向和塑性形变对这些制造工艺的影响。     

碳纤维增强复合材料在国家重大基础设施建设领域的应用与发展

 在建筑和土木工程领域，高性能碳纤维增强复合材料较传统建筑材料（钢材、混凝土等）具有更高效的性能。随着该类材料及产品在材料技术与应用技术方面的日益进步与成熟，必将引领土木工程尤其是在重大基础设施和国防建设领域的跨越式快速发展。围绕土木工程用碳纤维增强复合材料及其产品在材料设计与制备、工程应用设计与施工、检测评价、标准体系建设等重点方面的研究现状及应用发展等进行概要分析，以促进碳纤维全产业链上下游综合全面了解，期待未来中国碳纤维在该领域研究和应用的快速深入发展，以及由此带来建筑结构水平的飞跃变革。     

电热沥青膜材料开发及其性能研究

为提高电加热融冰雪路面的效率和解决既有方案的不足,提出了一种电热沥青膜除冰雪方案,并对其材料组成和材料性能进行了深入研究.电热沥青膜所用导电胶浆由石墨、短切碳纤维与沥青混合而成,其电阻率低至1×10~(-2)Ω·m,可按黏层或封层工艺铺筑于层间.模拟工程状态进行的导电性能试验表明,按黏层用量铺设的沥青膜即可达到融冰功率所需的电阻值,且其连续性不受施工过程显著影响.同时,力学性能试验表明,导电胶浆铺设的沥青膜完全满足层间抗剪切和抗拉拔的技术要求.     

运用碳纤维对桥梁加固补强

本文结合工程实践对碳纤维材料性能、碳纤维补强技术在桥梁结构加固中的应用及施工工艺作了介绍,认为碳纤维补强技术是未来桥梁结构加固的发展方向。     

浅谈碳纤维在混凝土结构加固中的应用

在土木工程中，由于各种原因，经常需要对已有建筑物进行维修、加固。实践证明，应用碳纤维材料对混凝土结构进行加固，是一种有较高技术含量的、全新的建筑结构加固方法。本文通过分析碳纤维在混凝土结构加固中的技术特点及设计原则，针对粘贴碳纤维加固施工工艺进行探讨,并对工程性能进行评价。     

各向同性沥青改性的中间相沥青纤维预氧化研究

以各向同性沥青改性的中间相沥青为原料,经熔融纺丝、氧化及碳化处理得到沥青基碳纤维,重点研究了原丝的氧化行为.偏光显微镜研究表明,混合沥青为两相不相容共混物,中间相沥青为连续相,各向同性沥青为分散相.氧化过程中,沥青的脂肪氢和芳氢被脱除,主要生成羰基,醚键.随着氧化时间的延长,纤维中含氧量逐渐提高.当氧化时间较短时,纤维氧化不足,碳纤维芯部出现孔洞,微观组织呈现大片层结构.随着氧化程度逐渐提高,截面孔洞逐渐减小并最终消失,同时,碳纤维的强度显著提高;但是当原丝过度氧化时,碳纤维强度反而下降.     

CPE改性石油沥青的研究

介绍了氯化聚乙烯(CPE)与石油沥青的共混改性复合体系技术工艺。研究了材料体系中CPE含量与改性沥青材料各个技术性能指标之间的关系。用该材料体系制得的材料样品能够符合防水材料的现行产品标准，CPE是石油沥青有效的改性树脂之一。     

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).