石墨烯/超高分子量聚乙烯复合材料的导电性能

采用氧化还原法制备了石墨烯(GNS),用X射线衍射(XRD)、红外光谱、透射电子显微镜对所得GNS进行了分析和表征。采用溶液混合、超声波分散的方法,制备了GNS/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)导电复合材料,研究了材料的导电渗流行为和阻-温特性。结果表明,溶液混合法可使GNS较好地分散于UHMWPE基体中,复合材料表现出典型的导电渗流行为,其渗流阈值为3.6%(质量分数)。在大于渗流阈值的情况下,复合材料的正温度系数效应(PTC)强度随GNS含量的增加而提高;热循环使得复合材料的PTC强度有所降低。     

短切碳纤维含量对Csf/SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

采用热压烧结法制备短切碳纤维增强碳化硅(short carbon fiber reinforced SiC composite,Csf/SIC)复合材料.采用销一盘式摩擦磨损试验测试不同短切碳纤维(Csf)含量的复合材料的干摩擦磨损性能,借助扫描电镜观察其磨痕形貌,分析不同Csf体积分数对复合材料摩擦磨损性能的影响.研究表明:由于碳纤维在复合材料中具有增强基体和固体润滑的作用,以及其自身良好的热传导性和低摩擦系数,因此,Csf/SiC复合材料的摩擦系数随Csf体积分数增大而不断降低;当Csf含量在42 vol.%以内时,复合材料的磨损率比无纤维SiC材料有大幅度减少,并且随着Csf体积分数增大而降低;但当Csf含量达到53 vol.%时,由于Csf含量高,导致纤维和基体之间的结合强度有所降低,造成复合材料的磨损率急剧增大.在本文研究范围内,含30 vol.% Csf复合材料具有最佳的摩擦磨损性能.     

碳纳米管填充聚合物复合材料的介电性能研究

本文研究了未经处理的多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯(MWNT/PVDF)复合材料体系的介电性能.发现,在低频下,复合材料的介电常数随MWNT的含量增加而迅速增加,当体积分数为2.0%时,介电常数高达300左右,并且复合材料的渗流阈值仅为1.61%(体积分数).MWNT较大的长径比和较高的电导率导致复合体系渗流阈值较低.发生渗流效应时,复合材料的介电损耗低于0.4,与频率无关.因此,可以认为未经过化学处理的碳纳米管可以大幅度改善PVDF基复合材料的介电性能.     

短切碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的高温冲击压缩力学性能

采用先驱体浸渍裂解法(即PIP法)制备出3种不同短切碳纤维(C_(sf))体积分数的圆柱形短切碳纤维增强陶瓷基复合材料(C_(sf)/SiC复合材料)试件,通过高温加热装置和自组装功能的霍普金森压杆装置对试件进行高温和动态荷载耦合作用下的冲击压缩试验,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察C_(sf)/SiC复合材料断口形貌,对试件的破坏形态进行分析。试验结果表明,采用PIP法制备的C_(sf)/SiC复合材料试件中C_(sf)分布均匀,在外应力作用下C_(sf)/SiC复合材料试件发生破坏,碳纤维和碳纤维束与SiC基体脱粘被不断拔出。试件的抗压强度随C_(sf)体积含量的增加而呈现先增加后减小的变化趋势,C_(sf)体积含量为21%的试件抗压强度最高,为96.55 MPa。与常温相比,在高温压缩试验中随着复合材料试件平均温度的升高,C_(sf)/SiC复合材料试件破碎后的块度越来越大,整体性越来越好,当温度达到300℃时,C_(sf)体积含量对C_(sf)/SiC复合材料试件抗压强度的影响较小。     

石墨烯/超高分子量聚乙烯导电复合材料的电性能

通过两步法制备了纳米石墨烯(GNS)/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)分离结构导电复合材料,通过扫描电子显微镜和透射偏光显微镜研究了导电复合材料的形态结构与电性能的关系。研究表明,GNS粒子能够均匀地涂覆在UHMWPE粒子表面。当GNS的体积分数为0.4%时,复合材料电导率提升了15个量级,渗流阀值为0.028%(体积分数,下同)。GNS/UHMWPE分离结构导电复合材料的正温度系数效应(PTC)研究表明,由于填料分布形态及含量的变化,导致复合材料PTC转变温度发生改变。     

碳纤维增强水泥基复合材料的制备及热电性能研究

将不同含量(0.5%,1.0%,1.5%(质量分数))的碳纤维掺入到硫铝酸盐水泥基体中,制备了碳纤维增强水泥基复合材料。通过SEM、阿基米德排水测试法、四探针法等手段,研究了碳纤维含量对增强水泥基复合材料断面结构、抗弯强度、孔隙率、电导率、热导率和塞贝克系数的影响,并模拟太阳辐射进行了能量收集实验。结果表明,碳纤维均匀地分布在水泥基体中形成网格结构,碳纤维与水泥基体有很强的结合力。当碳纤维含量由0.5%(质量分数)增加到1.5%(质量分数)时,水泥基复合材料的抗压强度由71.36 MPa增加到106.51 MPa,增长了49.26%;孔隙率由0.8%增加到2.0%,增长了150.0%;电导率由0.0214 S/m增加到0.2408 S/m,增长了1025%;热导率由0.261 W/(m·K)减小到0.210 W/(m·K),减少了19.54%;塞贝克系数迅速增大,最大为1.22×10^4μV/K。当碳纤维含量为1.5%(质量分数)时,厚度为20 mm的水泥基复合材料每1 m^2可输出5~6μW的功率;在400 min辐照下,试样表面温度迅速达到70℃左右,1 m^2水泥基复合材料面板上收集到的能量高达8.1×10^-6 J。由此可知,碳纤维含量的增加,极大地提高了碳纤维增强水泥基复合材料的热电性能。     

石墨烯/尼龙66导电纳米复合材料的制备与性能研究

通过溶液共混法制备了石墨烯(G)/尼龙66(PA66)复合材料,通过热压得到了导电纳米复合材料试样。改变石墨烯在尼龙66中的含量,制备了不同比例的G/PA66复合材料,通过室温电导率测试发现,当石墨烯含量达到1.338%(体积分数)时,复合材料的直流体积电导率上升到9.72×10~(-3)S/m,导电渗流阚值为0.734%(体积分数);复合材料的交流体积电导率和介电常数也随石墨烯含量的上升而增加。研究表明:分散良好的石墨烯显著提高了复合材料的导电性。采用扫描电镜(SEM)、万能力学试验机及热重分析仪(TGA)对复合材料的微观形貌、力学性能、热稳定性进行了研究。结果表明,复合材料的拉伸模量升高,热稳定性增强。     

碳纤维增强Cu-Ti3SiC2复合材料的性能与烧结温度的关系

研究了在Cu-Ti3SiC2复合材料中添加2%体积含量碳纤维的致密度、电导率和硬度同烧结温度的关系.实验结果表明,加入碳纤维的Cu-Ti3SiC2复合材料较未加入碳纤维的Cu-Ti3SiC2复合材料的致密度和电导有少许下降,但布氏硬度有大幅度提高.随着烧结温度的上升,碳纤维增强Cu-TiSiC2复合材料的相对密度上升较快,在1 000℃时达到99.21%.电阻率随烧结温度的上升而下降;布氏硬度随着烧结温度的上升而提高,但增幅较缓.     

石墨对Ni-Cr和Ni-Cr-W复合材料摩擦性能的影响

采用粉末冶金方法制备了Ni-Cr基自润滑复合材料,研究了Ni20Cr-石墨与Ni20Cr-10W-石墨复合材料中石墨含量和添加W后对材料力学性能和摩擦性能的影响.结果表明:随着石墨体积分数的增加,Ni20Cr-石墨复合材料的显微硬度和致密度不断降低;将石墨添加到Ni20Cr-10W复合材料中,材料摩擦系数明显降低,在每个试验温度下,复合材料的摩擦系数都随石墨含量的增加出现先增加后降低的变化规律;在Ni20Cr-石墨复合材料中添加体积分数10%的W后,复合材料显微硬度有所增加;当石墨体积分数为10%时,材料的摩擦系数在各个试验温度下均有所增加,当石墨体积分数为5%和15%时,复合材料的摩擦系数在整个温度范围内均有所降低;在整个温度范围内,Ni20Cr-10W-15石墨复合材料的摩擦系数最低.     

表面改性碳纤维增强羟基磷灰石复合材料抗弯性能的研究

通过在碳纤维表面原位生成莫来石保护层和对氨基苯甲酸表面处理来改性碳纤维,将改性碳纤维与羟基磷灰石(HA)复合,制备表面改性碳纤维增强HA复合材料。研究改性前后的碳纤维对复合材料抗弯强度的影响并分析增强机理。结果表明,随纤维含量的增加复合材料的抗弯强度先提高后下降,碳纤维含量为3%(体积分数)时复合材料的抗弯强度达到最大值。碳纤维、表面处理碳纤维、表面复合处理碳纤维增强HA材料的抗弯强度均随烧结温度的升高而提高,且整体提高幅度依次增大,当烧结温度达1150℃时,3种材料的抗弯强度达最大值,分别为55.13、100.95、112.17MPa。表面复合处理碳纤维增强HA材料的抗弯强度比基体提高最多为3.5倍。这主要归因于碳纤维表面通过原位反应形成莫来石3Al2O3.2SiO2保护层,同时经对氨基苯甲酸处理后碳纤维对HA有更好的亲和性和吸附性。     

多壁碳纳米管增强炭黑/聚丙烯导电复合材料导电行为

为了充分利用不同导电粒子的导电作用,在炭黑(CB)/聚丙烯(PP)导电复合体系中引入了多壁碳纳米管(CNTs)。研究发现：引入的CNTs分散在CB粒子间起到“桥梁”作用,使体系的导电性能得到明显改善,并且CB∶CNTs为19∶1时其协同导电效果最好,该复合体系出现逾渗现象,对应的导电填料体积分数明显降低。在导电填料总体积分数为4.76%时,少量CNTs的引入就可使复合体系的体积电阻率从109Ω·cm下降到105Ω·cm;同时少量的CNTs能明显抑制炭黑/聚丙烯导电复合材料的正温度效应(PTC),使PTC强度从6.10降低到1.48,PTC转变峰温度从166℃升高到174℃。少量的 CNTs可以使PP的结晶温度提高12℃,对PP结晶的成核作用比CB更加明显。复合体系力学性能随导电填料体积分数增加而明显降低,但因为体积电阻率一定时CB-CNTs/PP体系所需导电填料体积分数较CB/PP体系明显降低,因此少量CNTs的引入能够使复合体系的力学性能得到更大程度的保持。     

高密度聚乙烯/炭纤维复合体系的PTC效应

以高密度聚乙烯(HDPE)为基体,添加不同长度的炭纤维(CF)制备了HDPE/CF复合体系.用显微镜观察了复合体系中CF的形态,测试了复合体系的逾渗值、正温度系数效应(PTC)的强度和多次热循环后的PTC强度.用DSC分析了复合体系的结晶性能与PTC稳定性的关系.结果表明,CF的长度对复合体系的电导率、渝渗阈值和PTC...     

聚合物基导电复合材料的热敏开关特性

聚合物基复合材料ＰＴＣ转变区的电阻率突变与渗流曲线在临界体积分数附近的电阻率突变在导电机制上是同一的。只要复合材料上有近似开关性质的渗流导电特性,室温下填料的体积分数决定ＰＴＣ转变温度及ＰＴＣ转变点的温度系数。     

高比表面积炭黑/聚丙烯导电复合材料

研究了高比表面积炭黑(Ketjen black, KB)填充聚丙烯复合材料(KB/PP)的导电性能及体积电阻率-温度特性。结果表明, 当KB填充含量达到0.5%~1.5%(体积分数)时, KB/PP复合材料出现电渗流行为, 表现出优异的室温导电性能。同时, KB/PP复合材料的体积电阻率-温度特性曲线呈现出特殊的负温度系数-正温度系数-负温度系数(NTC-PTC-NTC)三阶段特征, 体积电阻率随温度的上升, 先出现下降产生第一个NTC效应, 然后出现PTC效应及第二个NTC效应。在相对低温范围内, 第一个NTC效应具有良好的稳定性和重复性。KB表面的电子跃迁导电、基体体积膨胀两种效应的叠加是造成KB/PP复合材料出现三阶段特征的原因。     

N990/聚ε-己内酯复合材料的PTC效应

以辛酸亚锡为引发剂开环聚合制备了聚己内酯(PCL),用GPC、DSC、XRD和FT-IR进行表征。将PCL与N990用炭黑以溶剂法复合制备了PTC复合材料,研究其微观结构、体积膨胀和电性能。结果表明:PCL的数均分子量(Mn)、重均分子量(Mw)以及分子量分布宽度(Mn/Mw)分别为24175、38666和1.60,熔点为62℃,结晶度为42.48%。复合材料的渗流阈值为35%,PTC强度都大于2个数量级。N990炭黑在复合材料中分布较均匀,主要以聚集体的形式存在。复合材料的电阻率对数值-体积膨胀率曲线表明,体积膨胀只是复合材料PTC效应的一个重要因素。     

Three-dimensional electrical percolation behaviour in conductive short-fibre composites

The percolation behaviour and electrical conductivity in unidirectional composites made of short conductive fibres embedded in an insulating matrix were examined by Monte Carlo simulation as a function of aspect ratio, volume fraction and angle. The unidirectional composite exhibited a highly anisotropic percolation behaviour with respect to the fibre direction for both fibre normal and fixed-length distribution. For the direction parallel to the fibre, the electrical conductivity increased exponentially with the volume fraction and the exponent increased as the aspect ratio increased. The conductivity in the transverse direction exhibited a sharp transition, from zero to nearly the same level as parallel conductivity at the critical volume fraction. The percolation threshold for the transverse direction also increased with aspect ratio up to 20, above which it decreased in parabolic manner. Both the threshold volume fraction and transient increase in conductivity in the transverse direction varied parabolically with aspect ratio, the maximum being an aspect ratio of 20.     

体积膨胀的稀释作用对聚合物基导电复合材料PTC效应的影响

聚合物基PTC复合材料中,导电填料的体积分数是一个绝缘体-导体的转换开关。理论分析表明,PTC转变区的电阻率突变与渗流曲线在临界体积分数附近的电阻率突变在导电机制上是同一的,聚合物基体体积膨胀的稀释作用对PTC效应有重要影响,在一定的温度范围内(小于PTC/NTC的转变温度),存在着定量的炭黑浓度稀释。      

碳纤维增强水泥复合材料的电导性能及其应用

研究了碳纤维增强水泥复合材料的电导性能, 用扫描电子显微镜(SEM ) 观察了材料产生电导渗流时的显微结构, 讨论了纤维掺量和纤维长度对电导性能的影响以及受载过程中材料电导率的变化规律。结果表明, 适当控制碳纤维的尺寸、含量, 可以明显提高材料的电导性能; 材料结构中存在电导渗流现象, 渗流阈值随受载过程而变化; 碳纤维增强水泥复合材料能够作为本征机敏材料, 反应试件受载时的应力应变关系。     

Electrical conductivity characterization and variation of carbon fiber reinforced cement composite

Electrical conductivity of carbon fiber reinforced cement composite (CFRCC) was measured. The conductivity of specimens increased by several orders of magnitude while the volume fraction of fibers reached a higher value than the critic concentration. The microstructure associated with electrical percolation phenomena was observed. The mechanism of conduction was interpreted as being due to fibers touching each other. The changes of electrical conductivity under three different loading levels were investigated. The percolation threshold value decreased with loading. The relative changes of electrical conductivity both under single loading and cyclic loading could sense the stress in non-elastic, elastic and fracture region with sensitive response. The influences of fiber volume fraction and fiber length on the sensitivity of electrical conductivity measurement were discussed. The results provide some new information for the fabrication of conductive and intrinsically smart carbon fiber reinforced cement composites.     

Distributions of elastic moduli in mechanically percolating composites

Power-law percolation models contain very little mechanics other than the theoretical or simulated value of a percolation threshold, the volume fraction where a connected microstructure forms. For mechanical percolation these theoretical values do not correspond well to experimental results and so the models are commonly used empirically; results are correlative rather than predictive. In recent work, the effective elastic properties of a model polymer nanocomposite were approximated using a computational micromechanics model within a Monte Carlo framework. Significantly, the statistical averages resulting from these simulations displayed distinct percolation-like behavior. Of equal interest is the distribution of properties that resulted from the randomly simulated microstructures. This strongly suggests that mechanical percolation in nanocomposites is the result of a combination of microstructural mechanisms. Analysis aimed at determining which microstructure produces what response is a challenging task if microstructure is the random variable. In this work, the effective composite properties are considered as the random variable; probability distribution functions (PDFs) of the properties at discrete volume fractions are developed using the Principle of Maximum Informational Entropy. The evolution of these PDFs with increasing volume fraction helps visualize and track the significant property changes that result from microstructural randomness.