碳纤维及其复合材料领域

正2017年碳纤维发展三大趋势碳纤维(carbon fiber)因高强度、高模量、质轻的优异性能,不仅在航空航天等军工领域有不可替代的地位,在体育休闲品、建筑防护、汽车交通等民用领域也大放异彩,被誉为材料界的黑色黄金。重磅政策支持《中国制造2025》2015年5月,国务院正式发布《中国制造2025》,对我国制造业转型升级和跨越发展作了整体部署,明确了建设制造     

气相生长碳纤维

近20年来先后出现许多碳纤维。其中具有代表性的有粘胶碳纤维、聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维,这些碳纤维又称为有机先驱体碳纤维(Organic preearsor carbon fiber)。据报道,当某些碳氢化合物气体通过处于高温的某些基体时,有纤维状炭的生成。60年代初期Bacon制取了石墨晶须。     

工艺因素对碳纤维增强硅羟基磷灰石骨水泥抗折强度的影响

以碳纤维(carbon fiber,Cf)为增强相,采用微波法合成的含硅羟基磷灰石(carbon fiber reinforced silicon-substituted hydroxyapatite,Si-HA)为基体,用丙烯酸/衣康酸的缓冲液为凝固剂,制备了碳纤维增强含硅羟基磷灰石(Cf/Si-HA)骨水泥.研究了碳纤维体积含量、偶联剂种类和用量、柠檬酸钠的加入量对骨水泥抗折强度的影响,并采用正交实验法探讨了各因素的协同影响作用.采用X射线衍射、万能材料试验机、扫描电子显微镜和红外光谱对Cf/Si-HA骨水泥的抗折强度、显微结构和组分等进行了表征.结果表明:随碳纤维体积含量、硅烷偶联剂KH-550和柠檬酸钠含量的增加,骨水泥的抗折强度均呈现先增大后减小的趋势.当碳纤维体积含量为30%、硅烷偶联剂KH-550质量含量(下同)为0.8%、柠檬酸钠含量为25%时,骨水泥的抗折强度达到极大值43.8 MPa.     

纤维增强树脂基复合材料界面结合机理研究现状

本文以碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等作为增强材料的纤维增强树脂基复合材料（fiber reinforced Poly-mer,FRP）为例,分析了目前国内外复合材料界面结合机理研究的发展现状及X射线光电子能谱（XPS）技术、红外光谱检测技术（IR）、拉曼光谱检测技术（RAMAN）等主要界面表征手段,并提出了该领域目前尚存在的问题。     

三维针刺碳/碳化硅刹车材料的摩擦磨损性能

采用单向加压浸渍、加压固化和碳化制备了密度为1.20g/cm3的多孔碳纤维增强碳(carbon fiber reinforced carbon,C/C)复合材料,然后利用反应熔体浸渗法制备了密度为2.11g/cm3的低成本三维针刺碳纤维增强碳化硅(carbon fiber reinforced silicon carbide,C/SiC)刹车材料,研究了材料的微结构和摩擦磨损性能.结果表明:随刹车速度升高,刹车盘的平均磨损率逐渐升高,而平均摩擦系数先升高后降低,刹车速度为15m/s时,摩擦系数达到最大值0.57.低速刹车时摩擦系数曲线光滑、平稳上升;高速时曲线出现波动,存在"翘尾".低速刹车时磨屑为大颗粒,摩擦面上犁沟明显;高速时宏观犁沟消失,微米级磨屑弥散分布于摩擦面.     

碳纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料的氧化行为

采用化学气相浸渗(chemical vapor infiltration,CVI)法制备了以热解碳为界面的碳纤维增强碳氮化硅陶瓷基(carbon fiber reinforced siliconcarbonitride ceramic,C/Si-C-N)复合材料.用热重法研究了无涂层C/Si-C-N在空气环境中的氧化行为.研究表明:由950℃ CVI沉积的Si-C-N基体所制备的C/Si-C-N复合材料的氧化行为与碳纤维增强SiC陶瓷基(carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic,C/SiC)复合材料的完全不同.在600～1 200℃,C/Si-C-N的氧化速率随温度的升高而持续增加,其抗氧化能力在600℃明显高于C/SiC复合材料;在900℃,抗氧化能力与C/SiC复合材料基本相当;在1 200℃,抗氧化能力则低于C/SiC复合材料.C/Si-C-N复合材料所表现出来的氧化行为主要与Si-C-N基体较低的热膨胀系数有关.     

外加电场作用下碳纤维增强水泥基材料的输运特性

以隧道效应理论为基础,建立了碳纤维增强水泥基复合材料(carbon fiber reinforced cement-based composites,CFRC)导电模型.研究CFRC材料在外加电场作用下的输运特性,得出了相应的数学表达式,并进行了实验验证.结果表明:CFRC材料的电阻率-场强曲线呈反S形;随碳纤维掺量的增加,场强对其电阻率的影响逐渐减小.CFRC材料具有这种特殊的输运特性,是由于隧道导电存在的结果.     

短切碳纤维对GF-Fabric/EP夹层复合材料的增强作用研究

针对高速列车、新能源汽车等交通工具对高性能泡沫夹层复合材料的迫切需求，制备了玻璃纤维三维立体织物增强环氧树脂泡沫复合材料（下称GF-Fabric/EP复合材料）及其夹层结构，并重点探索短切碳纤维（Short carbon fiber,SCF）对其泡沫本身及夹层复合材料的增强作用。研究结果表明，SCF的填充通过受载时阻断环氧树脂泡沫内部裂纹的扩展，利用自身断裂及与基体脱粘等消耗能量，显著提升环氧树脂泡沫的力学性能，并可与玻璃纤维三维立体织物实现协同增强效果，在填充质量比为2%时复合材料力学性能最佳。同时，基于纤维的“桥联”作用，SCF的引入亦可有效改善铝合金面板与芯材的界面性能。     

日本クレハ株式会社在中国上海的“碳纤维加工品”新工厂已竣工

位于日本东京都中央区的クレハ株式会社，为适应产业界各领域对碳纤维（产品名：クレカ）的扩大需要，     

SiC改性C/C复合材料的制备及其烧蚀性能

采用超声波震荡法将SiC微粉添加到二维针刺碳毡预制体中,利用热梯度化学气相浸渗工艺沉积热解碳制备了SiC改性碳纤维增强碳基(carbon fiber reinforced catbon,C/C)复合材料.借助x射线衍射与扫描电子显微镜检测和观察材料的微观结构,利用氧-乙炔烧蚀实验测试材料的抗烧蚀性能.结果表明:SiC微...     

木质素纳米颗粒/天然纤维基活性碳纤维材料的制备及其电化学性能

以木质素纳米颗粒（LNPs）负载的天然纤维复合材料为研究对象,利用KOH活化的方法对其进行处理制备生物质基复合多孔活性碳纤维电极材料。随后在三电极体系中对合成的复合多孔活性碳纤维电极材料进行了电化学性能测试。研究表明,在0.5A/g的电流密度下,KOH活化的复合碳纤维电极材料的比电容为351.13F/g,远高于相同条件下未活化的复合碳纤维电极材料的比电容（7.88F/g）和未负载LNPs的天然纤维基活性碳纤维材料（306.50F/g）。而且在活化过程中,负载在纤维表面的LNPs会形成多孔的活性碳层结构,这会进一步提高复合活性碳纤维材料的循环稳定性,同时LNPs中丰富的羟基赋予复合材料额外的赝电容。在10A/g的电流密度下经过10000次循环后,复合活性碳纤维电极材料的电容保持率仍然为95%,高于未负载LNPs的活性碳纤维电极材料的电容保持率87%。结果表明,木质素纳米颗粒/天然纤维基活性碳纤维材料是一种理想的电极材料,本研究也为LNPs在生物质碳纤维作为储能电极材料的高值化应用提供了一条新途径。     

Enhancement of surface adhesion between thermoplastic resin and carbon fiber using polymer colloids

To enhance the interfacial adhesion between carbon fiber and thermoplastic resin, poly(methyl methacrylate) (PMMA) particles were adsorbed on the carbon fiber. It was found that positively charged PMMA particles were readily adsorbed on the carbon fiber, and the interfacial shear strength between the modified carbon fiber and the resin was enhanced. In addition, the interaction between the carbon fiber coated with particles to the PMMA resin would be improved, and the surface adhesion between them was strengthened.     

碳纤维镀铜及其对铜基复合材料界面影响

碳纤维与铜之间的润湿性很差，导致碳纤维-铜复合材料的界面问题十分突出，给碳纤维增强铜基复合材料具有的优异性能带来很大的影响.用化学反应法在碳纤维表面镀铜,然后再与铜复合，可以有效地解决上述问题.但由于碳纤维具有纤细疏水、表面惰性的特点，对它镀铜很难.本文以CuSO₄为主盐，锌粉为还原剂，研究了4种不同类型添加剂: A（烷基苯磺酸盐）、B（烷基磺酸盐）、C（十二烷基脂肪酸盐）和D（十二烷基脂肪酸盐+乙酸钠）对碳纤维镀铜的影响.结果表明：D型添加剂最有利于碳纤维镀铜, 它能有效地解决碳纤维镀铜时经常发生的碳纤维束“黑心”问题.在实验中观察到整束碳纤维被均匀、连续地镀上了铜.通过扫描电镜观察：在镀铜碳纤维的断面上可以看到镀层和碳纤维结合得很牢固;在镀铜碳纤维与铜复合所得的复合材料中碳纤维与铜之间的界面结合得十分紧密.     

我国碳纤维产业发展现状及建议

综述了国内外碳纤维生产及消费情况,碳纤维已发展成以美国为代表的大丝束碳纤维生产和以日本为代表的小丝束生产两大类;碳纤维的消费主要在北美、欧洲和亚洲(日本),主要应用在航空和国防、工业及体育休闲领域;我国碳纤维发展缓慢,产品品种及质量均不能满足需求,但消费量与日俱增;详述了上海石化碳纤维新材料开发的情况,与科研院校合作,整合了产学研的技术资源;提出了我国碳纤维发展的建议,指出应尽快制订我国碳纤维发展的整体规划,建立重点产业基地,发挥区域合作优势,并建立国家级或地区性的碳纤维及其复合材料的评价认证机构,以促进我国碳纤维的全面发展。     

镀铜碳纤维布的制备及性能研究

为制备新型毫米波无源干扰材料,采用化学镀方法在碳纤维布表面沉积了金属铜层。测量了优化工艺条件下制得的镀铜碳纤维布的表面电阻,并采用冷热循环法检测了镀层的结合强度,应用雷达散射截面(RCS)测试系统测试了同样尺寸的镀铜碳纤维布及未改性碳纤维布的3mm波段RCS值。结果表明:镀铜碳纤维布镀覆均匀,金属光泽强,有良好的镀层结合强度及较强的导电性能。镀铜碳纤维布在3mm波段的RCS值较未改性碳纤维布有很大提高,且与理论计算值接近。     

纤维增强CFP/PPS复合材料的制备与性能表征

以碳纤维(CF)和碳纤维粉末(CFP)为导电基体,制备出导电聚苯硫醚(PPS)复合材料.研究了复合材料的形貌、导电及力学性能.结果 表明,CFP能很好地分散在PPS复合材料内部,复合材料的表面电阻可达到103 Ω.同纯PPS复合材料相比,导电性能增加了四个数量级;一定范围内的CFP可以提高PPS复合材料的拉伸强度和冲击...     

Novel electrochemical surface modification method of carbon fiber and its utilization to the preparation of functional electrode

The electrooxidative and -reductive methods for the surface modification of carbon fiber were developed. The carbon fiber surface was first oxidized under anodic conditions to introduce phenolic hydroxyl groups on the carbon fiber, and then the resulting oxidized carbon fiber was treated under cathodic conditions in the presence of various kinds of electrophiles such as alkyl halides and alkyl tosylates introducing the alkyl groups on the carbon fiber. The changes of the functional groups on the carbon fibers were confirmed by the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) study and the observation of the hydrophilicity. The functional carbon fiber electrode introduced β-cyclodextrin (β-CD) was then prepared by this electrochemical method. The electroreduction of acetophenone (1) was carried out using the resulting carbon fibers as cathodes. The use of the carbon fiber modified with β-CD gave relatively high dl selectivity of the reductive coupling products 2 (the dl/meso ratio: 5.2), while the dl/meso ratio using the untreated carbon fiber was 3.0, and the formation of 1-phenyl ethanol (3) was observed only by using the β-CD-modified carbon fiber. The observed products selectivity is discussed from the viewpoints of the interaction between the electrogenerated species and the functional groups on the carbon fibers.     

The Effect of Carbon Fiber Content on the Mechanical and Tribological Properties of Carbon Fiber-Reinforced PTFE Composites

Blending polytetrafluorothylene (PTFE) to carbon fiber at different compositions was produced in a corotating twin screw extruder where PTFE acts as the polymer matrix and carbon fiber as the dispersed phase. The effects of carbon fiber content on mechanical and tribological properties of the composites were investigated. The worn surface morphologies of neat PTFE and its composites were examined by scanning electron microscopy (SEM) and the wear mechanisms were discussed. The presence of carbon fiber dispersed in the PTFE continuous phase exhibited superior tribological characteristics to unfilled PTFE. The optimum wear reduction was obtained when the content of carbon fiber is 30 vol%.     

碳纤维热氧化行为及其机理

对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行热氧化处理,借助扫描电子显微镜、X射线光电子能谱,拉曼光谱等手段表征了PAN基碳纤维的热氧化行为,研究了其热氧化机理。结果表明:热氧化使PAN基碳纤维表面氧元素含量大幅升高,碳含量下降,氧以C—OH或C—O—C基团的形式吸附到表面、在550℃左右以C=O基团大量分解的形式腐蚀纤维,破坏纤维形貌;同时热氧化腐蚀纤维中的非石墨碳,使得有序的石墨结构向非石墨无序结构转变,破坏碳纤维的晶体结构。     

A novel method to graft carbon nanotube onto carbon fiber by the use of a binder

A novel method is developed for grafting multiwall carbon nanotubes (MWNTs) onto the surface of polyacrylonitrile‐based high strength (T300GB) carbon fiber. Functionalized MWNTs were well dispersed in the PVA solution and the carbon fiber was dip‐coated in this solution. After heat treatment of the coated carbon fiber under a nitrogen atmosphere, MWNTs with carboxyl groups were grafted onto the functionalized carbon fiber via chemical interaction. The resulting materials were characterized by Fourier transform infrared (FTIR), X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS), Field emission scanning electron microscopy (FESEM), Raman spectrum and mechanical testing. FESEM observations revealed uniform coverage of carbon nanotubes on carbon fiber. The carbon fiber grafted with MWNTs improved the tensile strength by 12% with respect to the pristine carbon fiber. These results are supportive of good interfacial bonding between the carbon nanotubes (CNTs) and carbon fiber. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci., 2013