電泳沉積CNTs摻雜C/C復(fù)合材料的微觀組織與彎曲性能
發(fā)布時間：2020-12-05 17:49
采用電泳沉積(EPD)在1k碳布表面均勻加載了碳納米管(CNTs),借助化學(xué)氣相沉積(CVD)致密化碳布疊層預(yù)制體,制備了EPD CNTs摻雜的二維(2D)碳/碳(C/C)復(fù)合材料。研究了EPD CNTs對2D C/C復(fù)合材料致密化過程、微觀組織和彎曲性能的影響。研究結(jié)果表明:EPD CNTs在碳纖維表面呈現(xiàn)平面內(nèi)高密度、雜亂取向分布特征,該形貌CNTs降低了熱解炭在碳纖維預(yù)制體內(nèi)的沉積速率,誘導(dǎo)了高石墨微晶堆垛高度(Lc)、低(002)晶面面內(nèi)方向上的沉積有序度(La)熱解炭的形成;EPD CNTs的摻雜可提高C/C復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量:當(dāng)CNTs含量為0.74wt%時,復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量可達(dá)150.83 MPa和23.44 GPa,比純C/C復(fù)合材料提高了31.4%和13.9%;繼續(xù)提高CNTs含量,復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度降低,這與過高含量EPD CNTs導(dǎo)致復(fù)合材料密度降低有關(guān);同時,EPD CNTs的摻雜使得C/C復(fù)合材料斷裂模式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄詳嗔?復(fù)合材料斷裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基體結(jié)構(gòu)的變化以及碳纖維的大量拔出。
【文章來源】：無機(jī)材料學(xué)報. 2016年02期 第201-206頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
EPD用CNTs的TEM形貌和微觀組織照片
第2期齊樂華,等:電泳沉積CNTs摻雜C/C復(fù)合材料的微觀組織與彎曲性能2032結(jié)果與分析圖2為經(jīng)不同時間EPDCNTs的碳布表面SEM照片,由圖可見,沉積前,碳纖維表面具有明顯的軸向溝壑結(jié)構(gòu)(圖2(a)),這是去膠碳纖維的典型形貌。沉積20s后,CNTs均勻分布在碳纖維表面(圖2(b)),形成一層薄薄的多孔膜。由于沉積量較少,碳纖維表面結(jié)構(gòu)依稀可見。沉積40s后,碳纖維表面CNTs量顯著增多,形成一層連續(xù)、分布均勻的多孔涂層(圖2(c)),相鄰纖維間的間隙被EPDCNTs搭接;EPDCNTs依附于纖維表面分布,呈現(xiàn)隨機(jī)取向,其間互相搭接,無糾纏團(tuán)聚。沉積60s后(圖2(d)),碳纖維表面形貌被EPDCNTs徹底覆蓋,相鄰纖維之間的間隙也完全被EPDCNTs遮掩,由CNTs涂層斷面的形貌可見,沉積60s的CNTs涂層厚度約為2~4μm,相當(dāng)于30~40min催化CVD制得的CNTs涂層的厚度[12],說明EPD在制備CNTs上具有顯著優(yōu)勢。圖3為不同量EPDCNTs摻雜C/C復(fù)合材料表觀密度隨CVD時間的變化曲線,即致密化曲線。對于純C/C復(fù)合材料而言,CVD沉積30h以內(nèi),其表觀密度隨致密化時間延長而線性增加,隨后,致密化速率逐漸減小;CVD100h后,復(fù)合材料表觀密度可達(dá)1.64g/cm3。加入EPDCNTs后,復(fù)合材料致密化速率降低,且CNTs含量越高,降幅越大。當(dāng)CNTs含量為0.74wt%和1.06wt%時,復(fù)合材料經(jīng)過120h致密化后,表觀密度僅達(dá)到1.61和1.55g/cm3,明顯小于純C/C復(fù)合材料。但是研究發(fā)現(xiàn),CVDCNTs能夠顯著提高C/C的致密化速率,且隨CVDCNTs量的增加,增幅變大[5]。C/C復(fù)合材料的致密化行為圖2經(jīng)不同時間EPDCNTs的碳布表面SEM照片F(xiàn)ig.2SEMimagesofcarbonfiberclothesdopedwithCNTsbyEPDfordifferenttime(a)0s;(b)20s;(c)40s;(d)60s與其預(yù)制體的內(nèi)結(jié)構(gòu),特別是孔隙尺寸及其分布密切相關(guān)。相比三維空間內(nèi)放射狀分散分
維表面(圖2(b)),形成一層薄薄的多孔膜。由于沉積量較少,碳纖維表面結(jié)構(gòu)依稀可見。沉積40s后,碳纖維表面CNTs量顯著增多,形成一層連續(xù)、分布均勻的多孔涂層(圖2(c)),相鄰纖維間的間隙被EPDCNTs搭接;EPDCNTs依附于纖維表面分布,呈現(xiàn)隨機(jī)取向,其間互相搭接,無糾纏團(tuán)聚。沉積60s后(圖2(d)),碳纖維表面形貌被EPDCNTs徹底覆蓋,相鄰纖維之間的間隙也完全被EPDCNTs遮掩,由CNTs涂層斷面的形貌可見,沉積60s的CNTs涂層厚度約為2~4μm,相當(dāng)于30~40min催化CVD制得的CNTs涂層的厚度[12],說明EPD在制備CNTs上具有顯著優(yōu)勢。圖3為不同量EPDCNTs摻雜C/C復(fù)合材料表觀密度隨CVD時間的變化曲線,即致密化曲線。對于純C/C復(fù)合材料而言,CVD沉積30h以內(nèi),其表觀密度隨致密化時間延長而線性增加,隨后,致密化速率逐漸減小;CVD100h后,復(fù)合材料表觀密度可達(dá)1.64g/cm3。加入EPDCNTs后,復(fù)合材料致密化速率降低,且CNTs含量越高,降幅越大。當(dāng)CNTs含量為0.74wt%和1.06wt%時,復(fù)合材料經(jīng)過120h致密化后,表觀密度僅達(dá)到1.61和1.55g/cm3,明顯小于純C/C復(fù)合材料。但是研究發(fā)現(xiàn),CVDCNTs能夠顯著提高C/C的致密化速率,且隨CVDCNTs量的增加,增幅變大[5]。C/C復(fù)合材料的致密化行為圖2經(jīng)不同時間EPDCNTs的碳布表面SEM照片F(xiàn)ig.2SEMimagesofcarbonfiberclothesdopedwithCNTsbyEPDfordifferenttime(a)0s;(b)20s;(c)40s;(d)60s與其預(yù)制體的內(nèi)結(jié)構(gòu),特別是孔隙尺寸及其分布密切相關(guān)。相比三維空間內(nèi)放射狀分散分布的CVDCNTs,EPDCNTs呈現(xiàn)二維平面內(nèi)高密度堆積分布特征,相比于CVDCNTs涂層,EPD制備的CNTs涂層的內(nèi)部孔隙尺寸要小得多。高倍SEM照片顯示,EPDCNTs涂層內(nèi)部的孔隙尺寸集中于100~300nm之間[11]。小孔結(jié)構(gòu)可以促使熱解炭急劇沉積,使得CNTs涂層?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Increasing the Tensile Property of Unidirectional Carbon/Carbon Composites by Grafting Carbon Nanotubes onto Carbon Fibers by Electrophoretic Deposition[J]. Qiang Song,Kezhi Li,Hejun Li,Qiangang Fu. Journal of Materials Science & Technology. 2013(08)
[2]碳納米管含量對炭炭復(fù)合材料組織及力學(xué)性能的影響(英文)[J]. 李克智,宋強(qiáng),武立言,李賀軍,弓巧娟. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報. 2011(05)
[3]熱處理溫度對熱解炭及炭/炭復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J]. 于守泉,張偉剛. 無機(jī)材料學(xué)報. 2010(03)
本文編號：2899845
【文章來源】：無機(jī)材料學(xué)報. 2016年02期 第201-206頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
EPD用CNTs的TEM形貌和微觀組織照片
第2期齊樂華,等:電泳沉積CNTs摻雜C/C復(fù)合材料的微觀組織與彎曲性能2032結(jié)果與分析圖2為經(jīng)不同時間EPDCNTs的碳布表面SEM照片,由圖可見,沉積前,碳纖維表面具有明顯的軸向溝壑結(jié)構(gòu)(圖2(a)),這是去膠碳纖維的典型形貌。沉積20s后,CNTs均勻分布在碳纖維表面(圖2(b)),形成一層薄薄的多孔膜。由于沉積量較少,碳纖維表面結(jié)構(gòu)依稀可見。沉積40s后,碳纖維表面CNTs量顯著增多,形成一層連續(xù)、分布均勻的多孔涂層(圖2(c)),相鄰纖維間的間隙被EPDCNTs搭接;EPDCNTs依附于纖維表面分布,呈現(xiàn)隨機(jī)取向,其間互相搭接,無糾纏團(tuán)聚。沉積60s后(圖2(d)),碳纖維表面形貌被EPDCNTs徹底覆蓋,相鄰纖維之間的間隙也完全被EPDCNTs遮掩,由CNTs涂層斷面的形貌可見,沉積60s的CNTs涂層厚度約為2~4μm,相當(dāng)于30~40min催化CVD制得的CNTs涂層的厚度[12],說明EPD在制備CNTs上具有顯著優(yōu)勢。圖3為不同量EPDCNTs摻雜C/C復(fù)合材料表觀密度隨CVD時間的變化曲線,即致密化曲線。對于純C/C復(fù)合材料而言,CVD沉積30h以內(nèi),其表觀密度隨致密化時間延長而線性增加,隨后,致密化速率逐漸減小;CVD100h后,復(fù)合材料表觀密度可達(dá)1.64g/cm3。加入EPDCNTs后,復(fù)合材料致密化速率降低,且CNTs含量越高,降幅越大。當(dāng)CNTs含量為0.74wt%和1.06wt%時,復(fù)合材料經(jīng)過120h致密化后,表觀密度僅達(dá)到1.61和1.55g/cm3,明顯小于純C/C復(fù)合材料。但是研究發(fā)現(xiàn),CVDCNTs能夠顯著提高C/C的致密化速率,且隨CVDCNTs量的增加,增幅變大[5]。C/C復(fù)合材料的致密化行為圖2經(jīng)不同時間EPDCNTs的碳布表面SEM照片F(xiàn)ig.2SEMimagesofcarbonfiberclothesdopedwithCNTsbyEPDfordifferenttime(a)0s;(b)20s;(c)40s;(d)60s與其預(yù)制體的內(nèi)結(jié)構(gòu),特別是孔隙尺寸及其分布密切相關(guān)。相比三維空間內(nèi)放射狀分散分
維表面(圖2(b)),形成一層薄薄的多孔膜。由于沉積量較少,碳纖維表面結(jié)構(gòu)依稀可見。沉積40s后,碳纖維表面CNTs量顯著增多,形成一層連續(xù)、分布均勻的多孔涂層(圖2(c)),相鄰纖維間的間隙被EPDCNTs搭接;EPDCNTs依附于纖維表面分布,呈現(xiàn)隨機(jī)取向,其間互相搭接,無糾纏團(tuán)聚。沉積60s后(圖2(d)),碳纖維表面形貌被EPDCNTs徹底覆蓋,相鄰纖維之間的間隙也完全被EPDCNTs遮掩,由CNTs涂層斷面的形貌可見,沉積60s的CNTs涂層厚度約為2~4μm,相當(dāng)于30~40min催化CVD制得的CNTs涂層的厚度[12],說明EPD在制備CNTs上具有顯著優(yōu)勢。圖3為不同量EPDCNTs摻雜C/C復(fù)合材料表觀密度隨CVD時間的變化曲線,即致密化曲線。對于純C/C復(fù)合材料而言,CVD沉積30h以內(nèi),其表觀密度隨致密化時間延長而線性增加,隨后,致密化速率逐漸減小;CVD100h后,復(fù)合材料表觀密度可達(dá)1.64g/cm3。加入EPDCNTs后,復(fù)合材料致密化速率降低,且CNTs含量越高,降幅越大。當(dāng)CNTs含量為0.74wt%和1.06wt%時,復(fù)合材料經(jīng)過120h致密化后,表觀密度僅達(dá)到1.61和1.55g/cm3,明顯小于純C/C復(fù)合材料。但是研究發(fā)現(xiàn),CVDCNTs能夠顯著提高C/C的致密化速率,且隨CVDCNTs量的增加,增幅變大[5]。C/C復(fù)合材料的致密化行為圖2經(jīng)不同時間EPDCNTs的碳布表面SEM照片F(xiàn)ig.2SEMimagesofcarbonfiberclothesdopedwithCNTsbyEPDfordifferenttime(a)0s;(b)20s;(c)40s;(d)60s與其預(yù)制體的內(nèi)結(jié)構(gòu),特別是孔隙尺寸及其分布密切相關(guān)。相比三維空間內(nèi)放射狀分散分布的CVDCNTs,EPDCNTs呈現(xiàn)二維平面內(nèi)高密度堆積分布特征,相比于CVDCNTs涂層,EPD制備的CNTs涂層的內(nèi)部孔隙尺寸要小得多。高倍SEM照片顯示,EPDCNTs涂層內(nèi)部的孔隙尺寸集中于100~300nm之間[11]。小孔結(jié)構(gòu)可以促使熱解炭急劇沉積,使得CNTs涂層?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Increasing the Tensile Property of Unidirectional Carbon/Carbon Composites by Grafting Carbon Nanotubes onto Carbon Fibers by Electrophoretic Deposition[J]. Qiang Song,Kezhi Li,Hejun Li,Qiangang Fu. Journal of Materials Science & Technology. 2013(08)
[2]碳納米管含量對炭炭復(fù)合材料組織及力學(xué)性能的影響(英文)[J]. 李克智,宋強(qiáng),武立言,李賀軍,弓巧娟. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報. 2011(05)
[3]熱處理溫度對熱解炭及炭/炭復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J]. 于守泉,張偉剛. 無機(jī)材料學(xué)報. 2010(03)
本文編號：2899845
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