电化学氧化处理对PAN基炭纤维表面浸润性的影响

以硫酸铵为电解质,对炭纤维进行连续电化学氧化处理,利用反气相色谱(IGC)研究电化学氧化处理前后的表面能变化,并联系SEM、AFM、XRD、Raman、XPS等测试结果综合分析电化学氧化处理对炭纤维表面性能的影响。研究表明,经电化学氧化处理后,纤维沿轴方向表面沟槽加深加宽,薄弱层被剥除,晶格择优取向遭到破坏;纤维表面活性官能团增多,氧和氮含量分别增加了180%和65%,提高了纤维与树脂的粘结性;纤维表面能提高了3.1倍,与树脂的浸润性得到改善;电化学氧化处理后其复合材料的ILSS达109MPa,已可充分满足实际应用需求。     

炭纤维环氧复合材料腐蚀行为的研究

采用电化学测试、腐蚀失重测量和SEM表面微观分析等试验方法,研究了炭纤维环氧复合材料浸泡在腐蚀介质中,由于腐蚀介质的存在和作用,对炭纤维环氧复合材料腐蚀行为的影响;同时对偶接了LY12CZ铝合金的炭纤维环氧复合材料也进行了腐蚀浸泡对比试验.结果表明,炭纤维环氧复合材料在3.5%NaCl腐蚀介质中,由于氧扩散的作用,开路电位需要近10h才能达到平衡,其腐蚀电位较正,树脂及树脂与纤维界面对腐蚀介质的吸湿,导致复合材料本身腐蚀增重.浸泡1464h后炭纤维环氧复合材料的表面微观形貌变化不大;在同样的浸泡条件下,偶接了LY12CZ铝合金对炭纤维环氧复合材料的腐蚀行为基本没有影响.     

富氮多孔纳米炭纤维的制备及其用作超级电容器电极材料

以商业聚酰亚胺树脂为前驱体,经过静电纺丝和一步炭化制备出富含氮原子的纳米炭纤维,采用扫描电镜、低温氮吸附和XPS等手段对纳米炭纤维的结构进行表征,考察不同炭化温度下纳米炭纤维的孔结构与表面含氮官能团的演变。结果显示,所得聚酰亚胺纤维经过一步高温处理便可得到微孔发达且富含氮原子的纳米炭纤维。随着炭化温度的升高,纳米炭纤维的比表面积与氮含量均逐渐降低。700℃炭化得到的纳米炭纤维的比表面积达到447 m2/g、纤维平均直径为234 nm、表面氮含量达到4.1%。将所得纳米炭纤维直接用作超级电容器电极,采用循环伏安法、恒流充放电和交流阻抗对其电化学性能进行考察。所得富氮纳米炭纤维表现出优异的电容量和表面电化学活性,其比电容达到214 F/g,单位比表面的电容量达到0.57 F/m2。     

聚丙烯腈基炭纤维制备过程中的表面形态和结构研究

为了制备高性能的聚丙烯腈基炭纤维，用SEM和TEM等分析方法跟踪炭纤维生产全过程中纤维微观结构所发生的变化。在湿法纺丝中，控制预牵伸倍数为7倍，调整凝固浴的温度为16℃时，可纺出截面近似圆形的高质量原丝，纤维的截面和表面的微纤比较紧凑，表面缺陷和裂纹较少；原丝经过预氧化后仍保持原来的微原纤结构，纤维外部表层的石墨微晶较大，所含孔隙较少，内部的微晶较小且含有大量孔隙。用高锰酸钾改性原丝能够得到质量优异的预氧化纤维，改性预氧丝的纤维基面增加比未改性的多，基面沿纤维轴排列的程度更高。所制备的炭纤维具有由原丝演变来的微观结构，微纤沿纤维轴高度取向，微纤之间有细长的孔隙，并堆砌在一起形成枝化微纤的伸展网络，炭纤维截面形状也近似为圆形。合理调整制备工艺，得到了强度为3．6GPa-4．2GPa，断裂延伸率为1．6％-1．8％，模量为235GPa-240GPa的聚丙烯腈基炭纤维。结果表明：炭纤维的微观组织结构与原丝的微观组织结构密切相关，高强度、高取向度和结构均匀的原丝是获得高强度和高模量炭纤维的前提。     

强磁场对聚丙烯腈预氧化纤维炭化性能的影响

利用不同条件的强磁场对经过280℃预氧化的聚丙烯腈(PAN)纤维进行处理并制成炭纤维,采用X射线衍射、单丝拉伸、BET、小角X射线散射分别对炭纤维的晶体结构、拉伸强度、表面缺陷、内部孔洞取向进行了表征。结果表明,强磁场处理使炭纤维的晶体结构趋于完整,表面缺陷减少,内部孔洞取向角变小,从而提高了炭纤维的拉伸强度。     

强磁场对聚丙烯腈预氧化纤维炭化性能的影响EI北大核心CSCD

利用不同条件的强磁场对经过280℃预氧化的聚丙烯腈(PAN)纤维进行处理并制成炭纤维,采用X射线衍射、单丝拉伸、BET、小角X射线散射分别对炭纤维的晶体结构、拉伸强度、表面缺陷、内部孔洞取向进行了表征。结果表明,强磁场处理使炭纤维的晶体结构趋于完整,表面缺陷减少,内部孔洞取向角变小,从而提高了炭纤维的拉伸强度。     

拉曼光谱分析炭纤维表面的微观结构(英文)

采用拉曼光谱技术研究了PAN基炭纤维表面微观结构的异质性。借助于自制的旋装装置,实现了单根炭纤维纤维的旋转,利用拉曼面扫描技术获得了纤维整个外表面的拉曼光谱。通过分峰数据处理,得到II/IG、IA/IG、IDi/IG与ID/IG的分布,发现这些结构参数具有较大的波动性,说明炭纤维表面微观结构是不均匀的。进一步也计算出纤维表面的晶粒尺寸La在0.7-2.9 nm间变化,结构缺陷有沿着纤维轴向取向的趋势。通过拉曼旋转扫描,揭示出了炭纤维表面的复杂微观结构。     

阳极氧化对炭纤维电镀镍的影响

采用阳极氧化法对炭纤维进行连续表面改性,并在其表面进行电镀镍处理,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析和酸碱滴定等方法研究了炭纤维阳极氧化前后的物理化学结构及对炭纤维电镀镍镀层的影响。结果表明:经过阳极氧化处理后,炭纤维表面的总酸性官能团提高约10倍;炭纤维拉伸强度降低先慢后快;阳极氧化可以改善镀层的生长过程,使镍镀层的生长由(V-W)模式转变为(F-M)模式,并且促使镀层晶粒细晶化,N i晶粒尺寸由14.5nm降为11.2nm,提高了镀镍炭纤维的抗氧化性以及镀层与炭纤维的结合力,阳极氧化后镀镍的炭纤维初始氧化温度较镀镍炭纤维提高了50℃。     

聚丙烯腈基碳纤维电化学改性机理研究

以NH4HCO3为电解质对碳纤维和石墨纤维进行电化学改性处理,通过SEM、WAXD、XPS对比分析了电化学改性对碳纤维和石墨纤维表面及本体结构的影响.结果表明电化学处理使碳纤维表面破坏严重,轴向沟槽消失,呈现出粗糙不平的表面,石墨纤维表面的轴向沟槽加深.电化学处理后二者的本体结构没有改变.从纤维内部结构分析了碳纤维电化学改性机理,杂原子的存在使碳纤维表面更易氧化刻蚀.     

湿纺和干湿纺炭纤维的表面结构分析

采用SEM、AFM及XPS等测试技术对湿法和干湿法制备的炭纤维的表面形貌、组织结构及化学组成进行了表征,分析材料的微观组织对复合材料界面的影响.研究结果发现,湿法炭纤维表面粗糙度大,沿纤维轴向沟槽深浅不均匀,且走向杂乱,有利于与复合材料中的基体树脂产生物理机械锁合作用,促进界面粘结;湿法炭纤维的表面含氧量和含氮量高于干湿法炭纤维,且表面活性同样高于干湿法炭纤维,有利于与基体树脂发生化学反应,形成较强的界面作用,从而使湿法炭纤维复合材料的层间剪切强度比干湿法炭纤维提高了13.92％.     

基于芳纶pulp优化的碳纤维增强树脂基复合材料的抗损伤性能及残余抗压强度

针对树脂基复合材料树脂粘接层脆性大且存在结构缺陷,易发生剥离和分层等突出问题,提出以轻质高强的芳纶pulp(AP)作为增强剂,通过模压成型制得强化的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP),研究不同添加面密度对复合材料抗钻孔、钻孔-冲击二次损抗性能和损伤后的抗压强度的影响。结果表明,6 g/m2 AP使复合材料直接、钻孔以及钻孔-冲击后抗压强度分别增强37.3%、41.0%和41.8%。分析认为:AP改善了树脂脆性,消除层间富树脂区域,提升层间断裂韧性,抑制了裂纹生长;同时AP以纤维桥连形式贯穿于树脂层和碳纤维层,不仅改善了树脂与碳纤维粘接界面的缺陷,也构建准Z方向的纤维排布,避免裂纹向单层界面扩展而导致结构分层,从而实现结构强化。      

Structural features of polyacrylonitrile-based carbon fibers

The structural changes as functions of spinning conditions and heat treatments were investigated with respect to the structural feature of PAN-based carbon fibers by scanning tunneling microscopy (STM). The distinct granule structure on the cross section of both high tensile strength and high modulus carbon fibers was observed by SEM, while slender granule-shape domain on the longitudinal surface was revealed by STM. A structure model was proposed, which depicted that the PAN-based carbon fiber was a heterogeneous structure composed of aggregated mesostructural domains. These domains were closely arranged into spiral form along fiber axis, allowing the fibers have high strength and good elongation. The initial shape and size of domains was determined by the precursor composition and spinning conditions and also strongly depended on the heat-treated temperature and stretching conditions. The smaller or slender domain, the higher tensile strength obtained for fibers. We expect that the PAN-based carbon fiber with better performance should be produced by optimizing the size and shape of these domains.     

无环氧树脂基碳纤维束自监测功能

土木工程领域所用环氧树脂基碳纤维与工业化生产的碳纤维复合材料中的碳纤维存在状态有一定的差别, 即土木工程领域的环氧树脂基碳纤维束内部部分碳纤维实际常处于无环氧树脂基状态。对无环氧树脂基的碳纤维束的力-电性能进行了系统的试验研究, 试验结果表明, 无环氧树脂基碳纤维束的电阻变化率随应变增大而线性增加。对无环氧树脂基的碳纤维束的破坏过程进行了分析, 揭示了断裂碳纤维丝与非断裂碳纤维可能存在搭接和不搭接两种状态, 在单根碳纤维丝强度服从Weibull 概率分布的基础上, 建立了能够描述上述两种状态的变结构碳纤维束的力电本构关系模型。通过计算结果与试验结果的比较, 验证了所建立模型的正确性。     

Carbon-Coated-Nylon-Fiber-Reinforced Cement Composites as an Intrinsically Smart Concrete for Damage Assessment during Dynamic Loading

Concrete containing short carbon-coated-nylon fibers (0.4～2.0 vol. pct) exhibited quasi-ductile response by developing a large damage zone prior to fracture localization. In the damage zone, the material was microcracked but continued to local strain-harden. The carbon-coated-nylon-fiber-reinforced concrete composites (NFRC) were found to be an intrinsically smart concrete that could sense elastic and inelastic deformation, as well as fracture. The fibers served to bridge the cracks and the carbon coating gave the conduction path. The signal provided came from the change in electrical resistance, which was reversible for elastic deformation and irreversible for inelastic deformation and fracture. The resistance decrease was due to the reduction of surface touch resistance between fiber and matrix and the crack closure. The resistance irreversible increase resulted from the crack opening and breakage of the carbon coating on nylon fiber.     

高性能SiBN(C)陶瓷纤维的热稳定性能及透波性能

SiBN(C)陶瓷纤维因其优异的性能(高温稳定性、高温抗蠕变和高温抗氧化性能等)被认为是高温高性能陶瓷基复合材料的理想增强体。研究了SiBN(C)陶瓷纤维的热稳定性能及微观结构,探索了SiBN(C)陶瓷纤维在1 100~1 500℃的抗氧化过程,并研究了C含量对SiBN(C)陶瓷纤维介电性能的影响。结果表明:SiBN(C)陶瓷纤维在高温热处理至1 600℃的N2气氛下仍然呈现无定形结构;HT-TGA结果表明该SiBN(C)陶瓷纤维具有良好的高温热稳定性,该陶瓷纤维的热失重率(1 450℃,N2气氛)仅为1.5wt%;同时SiBN(C)纤维也表现出优良的高温抗氧化性能,SiBN(C)陶瓷纤维在1 400℃,空气中处理5h后,纤维致密且无裂纹,XRD分析表明SiBN(C)陶瓷仍然呈现无定形结构,1 500℃处理5h后,SiBN(C)陶瓷纤维开始出现皮芯结构,并且出现微晶现象;XRD、SEM和EDX等测试手段表明氧化后样品的表面主要以SiO2微晶形式存在;介电性能研究表明当C含量低至0.1wt%时,SiBN(C)陶瓷纤维的介电常数为2.1,介电损耗为0.001 7(频率为10GHz)。性能评价说明该SiBN(C)陶瓷纤维可满足高温透波材料对增强体的要求。     

裂纹分布与Weibull模数关系的研究

讨论了纤维的裂纹分布与Ｗｅｉｂｕｌｌ模数ｍ之间的关系。用小角Ｘ－ｒａｙ散射测定四种粗细不同的粘胶基炭纤维的孔径大小及其分布，并分析比较了四种纤维的Ｗｅｉｂｕｌｌ模数ｍ和强度值，结果表明纤维越细，其ｍ值越大，纤维内所含的大尺寸孔洞越少，央纤维的强度也越高。     

碳纤维三维角联锁机织复合材料弯曲作用下力阻响应

电阻法在碳纤维复合材料结构健康监测(SHM)中具有巨大应用前景。本文研究了碳纤维三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件在弯曲作用下力-电阻响应,探究电阻变化与复合材料结构损伤的相关性。试验结果表明：经向和纬向试件在弯曲作用下电阻变化与试件主要承载纱线损伤情况具有相关性。准静态三点弯曲加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力变化：在最大载荷点之前,试件电阻基本不变;主要承载纱线发生断裂损伤时,电阻增加。弯曲疲劳加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力退化情况：在弯曲疲劳加载前期,三维角联锁机织复合材料呈现负压阻效应;随着循环次数增加,基体裂纹、界面脱粘等不可逆损伤不断累积,电阻缓慢增大;在弯曲疲劳加载后期,主要承载纱线断裂,电阻显著增加;试件最终疲劳失效时,电阻急剧增加。     

CFRC梁拉敏性试验研究

碳纤维混凝土（CFRC）是在普通混凝土中均匀加入一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维而构成的一种同时具有良好力学性能和机敏性能的本征型智能材料．由于碳纤维具有导电性能，把碳纤维加入混凝土中能改善混凝土的导电性。通过试验，研究了将碳纤维加入普通的钢筋混凝土梁后构件的拉敏性能，试验结果表明，CFRC构件的电阻变化与荷载、应变、挠度、裂缝发展具有相应的对应关系，并通过试验数据，回归出CFRC电阻变化与构件荷载之间的对应关系，为CFRC在结构健康监测中的应用提供了理论依据和量化关系。     

合成纤维种类对水泥基材料干缩开裂形态的影响

研究了相同体积掺量下(均为0.5%),聚丙烯(PP)纤维、尼龙单丝(Nycon RC)纤维和尼龙网状(MultiMesh)纤维对水泥基材料干缩开裂形态的影响.通过圆环法的对比实验,发现纤维表观形状和纤维直径对水泥基材料抗干缩开裂性能和裂缝分布有显著影响.基准水泥基材料呈现单一裂缝破坏模式,而合成纤维水泥基材料呈现了双缝或多缝开裂模式.结合SEM微观测试,分析了合成纤维与水泥基材料的界面性能,探讨了不同纤维种类限制水泥基于缩开裂的作用机理.     

大丝束碳纤维薄层化技术

采用机械式多辊系统薄层化技术,分析研究了大丝束碳纤维在不同形状辊子组合上的受力状态和可能的纤维运动状态,以及不同形状辊子组合对纤维损伤、薄层化后纤维分布状态的影响,在此基础上确定采用等径异型辊组合作为薄层化装置的核心部件,研究了采用3种不同曲率的等径异型辊时,不同纤维张力对大丝束碳纤维薄层化效果的影响。最终确定了该套薄层化装置达到最佳薄层化效果的等径异型辊的曲率半径应为330 mm,所施加的纤维张力应为46.6 N。