聚吡咯包覆FeCl3-石墨层间化合物的制备与电化学储钠性能

以FeCl₃和天然鳞片石墨为原料,通过融盐法制得1阶FeCl₃插层的石墨层间化合物(FeCl₃-GIC)。用原位聚合法对FeCl₃-GIC进行聚吡咯(PPy)包覆改性,形成具有核壳结构的(FeCl₃-GIC)@PPy复合材料。通过多种表征方法研究聚吡咯包覆前后FeCl₃-GIC的表面形貌和微观结构变化。结果表明:聚吡咯均匀致密地包覆在十微米级的FeCl₃-GIC颗粒外部,包覆层厚度为35 nm,经过聚吡咯包覆后(FeCl₃-GIC)@PPy的导电性能显著提高((FeCl₃-GIC)@PPy粉末电阻率2.3×10?3 Ω·cm,FeCl₃-GIC粉末电阻率3.1×10?3 Ω·cm)。采用多种电化学测试探究产物的钠离子存储特性,聚吡咯外壳能够显著提高FeCl₃-GIC作为钠离子电池负极材料的充放电容量、倍率性能和循环性能。在0.1 A·g?1电流密度下循环100次后,FeCl₃-GIC的比容量逐渐衰减到157 mA·h·g?1,而(FeCl₃-GIC)@PPy材料的比容量达到281 mA·h·g?1左右且容量基本保持不变;在电流密度1 A·g?1的条件下循环500次后,(FeCl₃-GIC)@PPy的比容量仍有181 mA·h·g?1,容量保持率约为89%。      

基于空间限域强制组装法制备短切碳纤维-碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料性能

采用空间限域强制组装（SCFNA）法制备短切碳纤维-碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（SCF-CNTs/PDMS）导电复合材料,研究SCFNA方法制备SCF-CNTs/PDMS复合材料对断面形态变化、导电性能和力学性能的影响。结果表明,通过SCFNA制备的SCF-CNTs/PDMS导电复合材料得到了密实有效的导电网络,由于缩短了导电填料之间的距离,实现了在低浓度填料下增大复合材料的导电性能和力学性能。在填料总量不变的前提下,SCF/PDMS复合材料中添加少量的CNTs,SCF与CNTs之间能形成较好的协同作用。并发现SCF质量分数为8wt%、CNTs质量分数为2wt%的SCF-CNTs/PDMS复合材料与SCF质量分数为10wt%的SCF/PDMS复合材料相比,其导电性能提高了33%,力学性能提高了144%;在SCF/PDMS复合材料中添加较多的CNTs,由于CNTs之间发生团聚现象,SCF-CNTs/PDMS复合材料的导电性能和力学性能均有所下降。SCF质量分数为5wt%、CNTs质量分数为5wt%的SCF-CNTs/PDMS复合材料随着密炼转速由40 r/min逐步增加到80 r/min,CNTs团聚现象有所改善,但是由于扭矩的增大,SCF受到的剪切作用力增大,SCF大部分被搅碎,在导电复合材料中,SCF起主要连接导电网络的作用。因此,SCF质量分数为5wt%、CNTs质量分数为5wt%的SCF-CNTs/PDMS复合材料导电性能反而随着密炼转速的提高而降低。      

镀镍碳纤维-碳纤维-玻璃纤维/乙烯基酯树脂导电复合材料的设计制备及其电磁性能

本研究旨在设计制备兼具电和磁功能的新型导电复合材料。采用具有良好导电性的短切碳纤维（CF）与兼具磁性和导电性的短切镀镍碳纤维（Ni-CF）作为功能体,以短切玻璃纤维（GF）作为填料,以乙烯基酯树脂（VER）作为基体,设计制备电磁性能可调控的导电复合材料。分别研究了CF含量对CF-GF/VER导电复合材料体积电阻率的影响、Ni-CF长度对（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料体积电阻率的影响,重点研究了Ni-CF含量对（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料体积电阻率和磁导率的影响,并初步探索了导电复合材料的电磁屏蔽性能。结果表明：（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料体积电阻率在0.35~36.48 Ω·cm范围内可调,磁导率在0.2~0.7内可调。CF和Ni-CF的含量和长度都会对（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料电磁性能产生较大影响。制备的（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料有望应用于电磁屏蔽领域。     

基于空间限域强制组装法制备短切碳纤维/乙烯-醋酸乙烯导电复合材料性能

采用空间限域强制组装法（SCFNA）制备短切碳纤维/乙烯-醋酸乙烯共聚物（SCF/EVA）导电复合材料,研究SCFNA方法制备SCF/EVA复合材料中导电填料分布形态的演变规律及该方法对复合材料导电性能和力学性能的影响。与传统共混方法相比,采用SCFNA方法制备的SCF/EVA复合材料,导电网络上SCF的间距变小,网络密实度显著提高,导电性能得到大幅度提升并具有良好的力学性能。实验表明:通过SCFNA方法制备的SCF/EVA复合材料的逾渗阈值为6.5 wt%,低于共混自组装法的8.2 wt%。相同SCF质量分数下,SCF/EVA复合材料的电导率比共混法自组装最高提高4个数量级。随着SCF质量分数的增加,SCF/EVA复合材料的力学性能呈先提高后降低的趋势,其中10 wt%SCF/EVA复合材料的力学性能最优,拉伸强度达到19.86 MPa。      

碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料的制备及性能研究

柔性超级电容器作为一种储能器件,具有功率密度高、充电时间短、循环寿命长、比电容高等优点,可满足可穿戴器件的需求,而柔性电极材料是决定柔性超级电容器发展的关键因素,它决定着电容器的主要性能指标。采用混纺的方法制备了碳纤维含量为20%(质量分数)的碳纤维/棉纤维混纺纱线,然后通过电化学沉积法在碳纤维/棉纤维混纺纱线上生长聚吡咯颗粒,成功制备了20%(质量分数)碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料。利用扫描电子显微镜、拉曼光谱分析仪和电化学工作站研究了复合材料的形貌、聚吡咯沉积情况以及复合材料的电容性能。结果表明,20%(质量分数)碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料中,聚吡咯颗粒直径为30~60 nm,且沉积均匀,化学活性较高;在1.02 mA/cm^2电流密度下,复合材料的最大比电容达到1.28 F/cm^2,其高比电容归因于电极的独特结构;复合材料具有良好的柔韧性、机械稳定性和充放电循环寿命,其经过6000次弯曲循环后,电容保持率仍有80%以上,可以用作柔性可穿戴超级电容器的电极材料。     

聚吡咯涂覆碳纤维的制备及其复合材料的力学性能研究

采用在一定程度下可控的电化学聚合法在碳纤维表面快速一步构建了聚吡咯(Ppy)共轭高分子膜，再利用真空辅助树脂传递模塑技术(VARTM)将碳纤维(CF)与环氧树脂(EP)制备成复合材料。使用扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪对碳纤维的表面形态和结构进行分析与表征，并通过对碳纤维/环氧树脂复合材料(CF/EP)进行层间剪切强度试验和三点弯曲实验来研究其力学性能。结果表明：与未经处理的CF/EP相比，碳纤维表面具有聚吡咯涂层的CF/EP其层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量分别提升了37.6%、24.3%和37.5%。因此，通过简单高效的一步电聚合法在碳纤维表面修饰聚吡咯涂层，可有效地提高CF/EP的整体力学性能。     

聚降冰片烯的电热双驱动形状记忆性能

以聚降冰片烯(PNB)为基体,分别加入导电炭黑(CB)和碳纤维(CF)制备PNB复合材料,通过对材料进行电性能表征及差示扫描量热分析仪、动态力学性能频谱仪等分析,探究PNB复合材料的电性能、力学性能和电热双驱动形状记忆效应。结果表明,导电CB和CF的添加量达到一定时,PNB复合材料内部均会形成不同程度的导电通路;同导电CB相比,CF自身具有较高的强度和模量,使得复合材料具有更加优异的力学性能;加入导电CB后形成的导电网络更为完善,少量的导电CB在保证复合材料具有优异力学性能的同时兼具良好的形状记忆性能。     

MWCNTs对环氧树脂及多尺度MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

通过对胺基化多壁碳纳米管（MWCNTs-NH₂）进行改性,得到改性MWCNTs悬浮液（MWCNTs-NH₂（M））。分别将羧基化MWCNTs （MWCNTs-COOH）和MWCNTs-NH₂（M）分散在环氧树脂（EP）中,采用热熔法制备了多尺度MWCNTs-碳纤维（CF）/EP复合材料。研究了MWCNTs对EP模量、韧性及EP与CF之间界面黏结强度的影响,并分析了MWCNTs与CF上浆剂的作用,评价了多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料的力学性能。结果表明：官能团化的MWCNTs可对EP的模量和韧性起到更好的增强作用。MWCNTs接枝的-COOH或-NH₂可与CF上浆剂中的环氧基团发生化学反应,提高EP与CF之间的界面剪切强度。MWCNTs-NH₂（M）对多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料力学性能的增强效果优于MWCNTs-COOH,当MWCNTs-NH₂（M）的含量为1wt%时,多尺度复合材料的0°压缩强度、90°压缩强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击后压缩强度（CAI）分别提高了16.7%、16.3%、40.9%、30.3%、20.6%。     

TiB2/Cu复合材料的电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结法（SPS）制备TiB₂质量分数为1wt%~5wt%的TiB₂/Cu复合材料,测试其导电率和硬度。当TiB₂质量分数由0增至5wt%时,复合材料的导电率由96.9%（International Annealed Copper Standard,IACS）降至65.1%（IACS）,布氏硬度由42.8增至65.2。对所制备的不同TiB₂质量分数的TiB₂/Cu复合材料在直流24 V、不同电流条件下进行电接触实验,探究TiB₂添加量和电流对TiB₂/Cu复合材料耐电弧侵蚀性能的影响。结果表明,TiB₂/Cu复合材料的平均燃弧时间、平均燃弧能量和材料损耗量随着电流的增加而增加,TiB₂/Cu复合材料的阴极损耗量高于阳极,整体上TiB₂/Cu复合材料由阴极向阳极转移。在24 V和25 A条件下,不同TiB₂质量分数的TiB₂/Cu复合材料的燃弧时间和燃弧能量随操作次数增加不断波动,整体上呈逐渐增加的趋势,3wt% TiB₂/Cu复合材料的稳定性最高,平均燃弧时间和燃弧能量最低。随着TiB₂质量分数的增加,TiB₂/Cu复合材料损耗量降低,表面蚀坑变浅。     

超临界流体对碳纤维/环氧树脂复合材料的降解作用

为对比分析不同超临界流体对碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的降解效果,首先,在间歇反应釜中通过超临界流体降解CF/EP复合材料,分析了不同反应温度下超临界CO₂和超临界醇对CF/EP复合材料的降解能力,并提出了降解CF/EP复合材料的超临界流体选择方法;然后,采用单丝拉伸测试、SEM以及原子力显微镜等测试手段分析了超临界正丙醇和超临界正丁醇回收碳纤维的力学性能和微观形貌。结果表明:超临界CO₂对CF/EP复合材料的降解能力较弱,正丙醇作为夹带剂时,降解效果有显著提高;超临界正丁醇对CF/EP复合材料的降解能力最强,其次为超临界正丙醇,超临界甲醇的降解能力最弱;选用的反应介质介电常数越小、偶极矩越大、溶解度参数与树脂基体越为接近,在超临界状态下CF/EP复合材料越容易降解。使用超临界流体降解CF/EP复合材料可以得到性能优异的碳纤维,与原始碳纤维相比,通过超临界正丙醇和超临界正丁醇回收的碳纤维单丝拉伸强度保持率在98%以上,且韦氏模数相近。      

亚磷酸三苯酯调控聚乳酸/氯化铁共混体系的降解行为和性能

用熔融共混法制备了氯化铁(FeCl₃)催化聚乳酸(PLA)快速降解材料。PLA材料降解的速率提高了10倍,但是PLA/FeCl₃在加工过程中分子量大幅度减小,使力学性能和可加工性能降低。为了减小PLA/FeCl₃在熔融加工中的过度降解,将有优良扩链和增塑效果的亚磷酸三苯酯(TPPi)引入PLA/FeCl₃体系中,用熔融共混制备TPPi改性PLA/FeCl₃材料,使其具有一定的综合力学性能。通过碱溶液降解实验和多种测试研究了样品的降解速率和综合性能。结果表明,TPPi和FeCl₃ 的添加量之比为3∶1的P3-1样品性能最优,拉伸强度和弯曲强度分别达到43.78 MPa和99.04 MPa,在碱液中降解8d其质量损失率为65.76%,远大于纯聚乳酸的4.67%。含2.95 phr FeCl₃的样品能在碱液中产生高降解速率,加工时不发生过度降解,由此制备出一种可快速降解并保持良好力学性能的聚乳酸改性材料。     

活性炭/高密度聚乙烯复合材料的力学性能

以稻壳为原料,以H₃PO₄、KOH、ZnCl₂为活化剂在600℃条件下制备三种活性炭,以生物炭、三种活性炭为填料填充高密度聚乙烯(HDPE)制备生物炭/HDPE复合材料和活性炭/HDPE复合材料,并对其力学性能进行测试和分析。结果表明,活性炭比生物炭具有更高的比表面积和发达的孔隙结构,其中经H₃PO₄活化制备的活性炭比表面积最高,为714.27 m2/g;活性炭/HDPE复合材料比生物炭/HDPE复合材料具有更佳的力学性能,相对于其他材料而言,经H₃PO₄活化制备的活性炭/HDPE复合材料具有较佳的弯曲性能、拉伸性能、刚性、弹性、抗蠕变性能及抗应力松弛能力,其弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为38.66 MPa、2.46 GPa、32.17 MPa、1.95 GPa。本研究可为活性炭的材料化利用提供有益的借鉴经验。      

原位一步合成CuAl-LDHs-聚磷酸铵及其在聚丙烯阻燃中的应用

采用原位一步法合成铜铝类水滑石（CuAl-LDHs）,通过控制铝酸钠/聚磷酸铵（NaAlO₂/APP）的质量比（0.82~3.28）合成CuAl-LDHs-APP。采用XRD、FTIR、SEM和TG对所制备的CuAl-LDHs及CuAl-LDHs-APP进行表征。采用极限氧指数（LOI）、垂直燃烧（UL-94）测试、弯曲及拉伸试验等考察了CuAl-LDHs/聚丙烯（PP）及CuAl-LDHs-APP/PP复合材料的阻燃性能及力学性能。SEM 观察表明:LDHs结构为片状,随着NaAlO₂与APP质量比的减小,CuAl-LDHs-APP颗粒粒径相应减小,当NaAlO₂与APP的质量比为0.82时,CuAl-LDHs-APP颗粒粒径达到20 nm左右,比表面积为183.5 m2/g。TG分析表明:CuAl-LDHs-APP在高温下有较好的热稳定性。当PP中加入质量分数为20%的CuAl-LDHs及CuAl-LDHs-APP时,LDHs/PP复合材料表面形成炭层;当NaAlO₂与APP质量比不大于1.64时,CuAl-LDHs-APP的添加可抑制PP燃烧时产生的熔滴现象;与CuAl-LDHs/PP复合材料相比,CuAl-LDHs-APP/PP复合材料具有更好的阻燃性能和力学性能;与PP材料相比,CuAl-LDHs-APP/PP复合材料的弯曲强度和拉伸强度等力学性能的下降也不明显。      

成形压力对SiC/TiB2复合材料组织与性能的影响

基于熔融Si浸渗法制备出较致密的SiC/TiB₂复合材料, 并研究了坯体成形压力对SiC/TiB₂复合材料致密度、相组成、显微组织和力学性能的影响。实验结果表明, 复合材料由TiB₂、SiC和Si相组成。SiC/TiB₂复合材料的显微组织特征为: TiB₂相和SiC相均匀分布, 游离Si填充在TiB₂相和SiC相的空隙处, 且形成了连续相。随成形压力的增大, 复合材料中游离Si含量降低, TiB₂颗粒尺寸减小, 复合材料的力学性能先增加后降低。坯体最佳成形压力为200 MPa, 对应SiC/TiB₂复合材料的体积密度、开口气孔率、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为3.63 g/cm³、0.90%、(354±16) MPa、(6.8±0.2) MPa·m^1/2和(21.0±1.1) GPa。     

Tribological and mechanical properties of the composites made of carbon fabrics modified with various methods

Carbon fabric (CF) was modified with strong HNO₃ etching, plasma bombardment, and anodic oxidation, respectively. The modified carbon fabric was then used to prepare carbon fabric composites (CFC) by dip-coating in a phenolic resin and the relative mass content of carbon fabric in the carbon fabric composites is 65%. The friction and wear behaviors of the carbon fabric composites were evaluated with a Xuanwu-III high temperature friction and wear tester, and their mechanical properties were evaluated on a Shimadzu™ universal materials testing machine, respectively. The changes in the chemical compositions of the unmodified and modified carbon fabrics were analyzed by means of X-ray photoelectron spectroscopy. The morphologies of the worn surfaces of the unmodified and modified carbon fabric composites were analyzed by means of scanning electron microscopy. It was found that the friction-reduction and anti-wear properties of the carbon fabric composites were improved by anodic oxidation, plasma bombardment, and strong HNO₃ etching, so were the mechanical properties and load-carrying capacity. The composite made of the carbon fabric modified with anodic oxidation showed the best tribological and mechanical properties, and the one made of the carbon fabric etched with HNO₃ had the poorest tribological and mechanical properties among the three kinds of the tested composites. The active groups were produced during the oxidation process, which contributed to strengthen the bonding strength between the carbon fabric and the adhesive and hence to improve the tribological and mechanical properties of the composites made of the modified carbon fabric. The friction and wear properties of the carbon fabric composites were closely dependent on the environmental temperature. Namely, the wear rates of the composites at elevated temperature above 180 °C were much larger than that below 180 °C, which was attributed to the degradation and decomposition of the adhesive resin at excessively elevated temperature. Moreover, the composite made of the carbon fabric modified with anodic oxidation had better thermal stability than the one made of the unmodified carbon fabrics.     

稀土Ce接枝碳纳米管-碳纤维多尺度增强体对环氧树脂基复合材料界面性能的影响

将马来酰亚胺官能化的多壁碳纳米管(CNTs)和碳纤维(CF)混合并通过CeCl₃处理,得到CNTs-CF多尺度增强体,采用FTIR、XPS、SEM对增强体的表面物理化学状态进行表征;以环氧树脂(EP)为基体,通过模压法制备CNTs-CF/EP复合材料,对其力学性能和断口形貌进行分析,探讨CNTs-CF多尺度增强体对CNTs-CF/EP复合材料界面性能的影响。结果表明:通过Ce的桥接作用,可以将改性后的CNTs化学接枝在CF表面,以同时解决CF与树脂基体间界面结合弱及CNTs不易分散的问题,有效改善了增强体与基体间的界面性能。因此CNTs-CF/EP复合材料的拉伸强度和杨氏模量较CF/EP复合材料分别提高了36.76%和71.57%;较CeCl₃改性CF(RECF)/EP复合材料分别提高了24.79%和52.17%。采用稀土Ce的化学接枝法成功制备出CNTs-CF多尺度增强体,为获得高级轻质树脂基复合材料提供了一种环境友好的新方法。      

PC/CF共混体系的加工流变性能与力学性能

利用微量双螺杆挤出机(Hakke MiniLabⅡ,Rheomex CTW5),通过熔融共混挤出注塑的方法,在聚碳酸酯(PC)中添加炭纤维(CF)进行复合增强。实验对共混物加工过程中的流变行为进行了分析,研究了炭纤维含量对复合材料力学性能的影响,探讨了其黏度与力学性能变化的机理,由扫描电子显微镜观测拉伸及冲击破坏的试样断面形态。结果表明,当CF质量分数为2%时,复合材料非牛顿指数n值最小,假塑性最强,易于加工;同时,复合材料的综合力学性能也最为优异。扫描电镜照片显示,拉伸破坏的主要方式为界面脱胶,而冲击破坏的主要方式为纤维断裂。     

氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热性能及微观形貌

采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,研究了 GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响,并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制.结果表明,当GO添加量分别为0.5％和0.8％时,GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(Tg...     

纳米Sb2O3增强聚丙烯基复合材料力学性能

通过球磨分散法和熔融共混法制得纳米Sb₂O₃/溴化环氧树脂-聚丙烯（BEO-PP）阻燃复合材料试样。采用XRD、DSC、拉伸和冲击性能测试,研究了纳米Sb₂O₃/BEO-PP阻燃复合材料的力学性能及其增强机制。研究结果表明：采用球磨法改性后的纳米Sb₂O₃颗粒在PP基体中的分散性和黏结性能得到明显改善;纳米Sb₂O₃颗粒的加入可改善PP基复合材料的强韧性;随着纳米Sb₂O₃质量分数的升高,纳米Sb₂O₃/BEO-PP复合材料的力学性能呈现出先升后降的趋势,PP基体的结晶度逐渐增高;当纳米Sb₂O₃颗粒添加量为2wt%时,纳米Sb₂O₃/BEO-PP复合材料表现出优异的综合性能。