本文關(guān)鍵詞：碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管及其結(jié)構(gòu)性能研究

  更多相關(guān)文章： 碳纖維 碳納米管 形成機(jī)理 單絲拉伸強(qiáng)度 電阻率

【摘要】：碳纖維和碳納米管(CNT)都是復(fù)合材料有效的增強(qiáng)體,將兩者有效的結(jié)合,改善纖維與基體的界面性能,形成復(fù)合增強(qiáng)體,從而充分發(fā)揮碳纖維性能,同時(shí)可利用CNT的優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等特殊性能。然而,較高長(zhǎng)徑比的納米碳管具有很高的表面能,在基體中非常容易發(fā)生纏結(jié)、團(tuán)聚,分散性較差；目前的在碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管的制備方法,雖然能解決CNT團(tuán)聚等弊端,但是存在碳納米管與纖維表面的結(jié)合力較弱,容易從碳纖維表面脫落的問(wèn)題,實(shí)際應(yīng)用效果不理想,這些嚴(yán)重阻礙了它們?cè)趶?fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文結(jié)合已有的利用固相碳源制備碳納米管的基礎(chǔ),對(duì)碳纖維表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?在助催化劑噻吩和水汽的作用下,在碳纖維表面牢固垂直生長(zhǎng)碳納米管成為一條可行的途徑。通過(guò)強(qiáng)酸處理碳纖維表面,纖維表面負(fù)載催化劑,在助催化劑噻吩和水汽的作用下,在一定溫度下在碳纖維表面牢固生長(zhǎng)碳納米管,借助SEM、TEM、XRD、Raman、FT-IR等測(cè)試手段研究碳纖維和碳管的形貌結(jié)構(gòu),觀測(cè)纖維表面生長(zhǎng)的碳納米管直徑為20～150nm,長(zhǎng)度可達(dá)幾微米。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制變量,較為系統(tǒng)地研究了酸處理、催化劑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及水汽和噻吩通入量等因素對(duì)碳纖維表面牢固生長(zhǎng)碳納米管的影響,從而獲得最佳實(shí)驗(yàn)條件：碳纖維酸處理時(shí)間為1～2h,催化劑濃度為1～1.5mol/L,反應(yīng)溫度為850℃,反應(yīng)保溫時(shí)間2-3h,氮?dú)饨?jīng)過(guò)噻吩的流量為40～60ml/min,經(jīng)過(guò)水的流量為100～120m1/L,最終在碳纖維生長(zhǎng)出致密的、形貌較好的碳管。根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推測(cè)出本實(shí)驗(yàn)碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管機(jī)理,主要過(guò)程：首先混酸處理后的碳纖維表面帶入大量含氧官能團(tuán)以及大量活性高的碳原子,負(fù)載上催化劑。在反應(yīng)升溫的過(guò)程中通催化劑被還原。隨著溫度升高,催化劑吸附硫原子降低熔點(diǎn),形成熔融狀態(tài),同時(shí)刻蝕纖維不斷滲入纖維表層,吸收溶解纖維表面活性較高的碳原子,以及其他的碳源,最終形成過(guò)飽和的碳-金屬熔融顆粒,在其表面析出按石墨層排列的碳原子,生長(zhǎng)成碳納米管。本實(shí)驗(yàn)制備的CNT/CF單絲拉伸強(qiáng)度為2.4-2.7GPa,保持原始纖維的67%～73%,電阻率約5.7×10-3～7.3×10-3Ω.cm,為原始碳纖維的2.75～3.5倍,且碳管越長(zhǎng),電阻率減小。石墨化后的長(zhǎng)管碳纖維電阻率大幅度降低,約為原始碳纖維的50%。連續(xù)化生長(zhǎng)碳納米管的碳纖維的單絲拉伸強(qiáng)度比原始碳纖維只降低14.6%,電阻率只增加了11.5%左右。長(zhǎng)管碳纖維能夠有效提高其樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)的性能,其層間剪切強(qiáng)度提高10.15%,而層間電阻率只有原始碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的7.96%。
【關(guān)鍵詞】：碳纖維 碳納米管 形成機(jī)理 單絲拉伸強(qiáng)度 電阻率
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ127.11
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第一章 緒論17-37
• 1.1 前言17-18
• 1.2 碳纖維的概況18-20
• 1.2.1 碳纖維的結(jié)構(gòu)18-19
• 1.2.2 碳纖維表面改性方法19-20
• 1.3 碳納米管的研究現(xiàn)狀20-32
• 1.3.1 碳納米管的結(jié)構(gòu)及分類21-22
• 1.3.2 碳納米管的性能及應(yīng)用22-24
• 1.3.2.1 力學(xué)性能22
• 1.3.2.2 導(dǎo)電性能22-23
• 1.3.2.3 熱學(xué)性能23
• 1.3.2.4 光學(xué)性能23
• 1.3.2.5 催化劑載體23
• 1.3.2.6 儲(chǔ)氫材料23-24
• 1.3.2.7 其他用途24
• 1.3.3 碳納米管的制備方法24-27
• 1.3.3.1 電弧放電法24-25
• 1.3.3.2 化學(xué)氣相沉積法25-26
• 1.3.3.3 激光燒蝕法26-27
• 1.3.3.4 其他方法27
• 1.3.4 碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理27-30
• 1.3.5 促進(jìn)碳納米管生長(zhǎng)的因素30-32
• 1.3.5.1 催化劑因素30-31
• 1.3.5.2 硫因素31
• 1.3.5.3 水氣因素31-32
• 1.4 碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管的研究現(xiàn)狀32-35
• 1.4.1 CNT/CF的制備方法33-35
• 1.4.1.1 化學(xué)氣相沉積法(CVD)33-34
• 1.4.1.2 化學(xué)接枝法34
• 1.4.1.3 電泳沉積法34-35
• 1.4.2 碳納米管/碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料35
• 1.5 本實(shí)驗(yàn)的提出及其創(chuàng)新點(diǎn)35-37
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分37-45
• 2.1 實(shí)驗(yàn)所用藥品及主要設(shè)備儀器37-38
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)所用藥品37-38
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備38
• 2.2 實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方案38-41
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容38-39
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案39-41
• 2.3 分析測(cè)試和表征手段41-45
• 2.3.1 掃描電子顯微鏡(SEM)41-42
• 2.3.2 透射電子顯微鏡(TEM)42
• 2.3.3 X射線衍射儀(XRD)42
• 2.3.4 傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)42
• 2.3.5 熱重分析儀(TG-DSC)42
• 2.3.6 拉曼光譜儀(Ranman Spectra)42-43
• 2.3.7 單纖維拉伸強(qiáng)度測(cè)試43
• 2.3.8 導(dǎo)電性能測(cè)試43
• 2.3.9 碳納米管與纖維基體間的結(jié)合力43
• 2.3.10 層間剪切強(qiáng)度(ILSS)測(cè)試43-45
• 第三章 影響碳納米管生長(zhǎng)的因素45-59
• 3.1 碳纖維表面酸處理對(duì)碳納米管生長(zhǎng)的影響45-49
• 3.1.1 不同的酸處理45-46
• 3.1.2 酸處理時(shí)間46-49
• 3.2 催化劑對(duì)碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管的影響49-51
• 3.2.1 催化劑濃度的影響49-51
• 3.3 炭化反應(yīng)溫度對(duì)碳纖維生長(zhǎng)碳納米管的影響51-54
• 3.3.1 升溫速率51-52
• 3.3.2 炭化反應(yīng)溫度52-54
• 3.4 炭化反應(yīng)恒溫時(shí)間對(duì)碳纖維生長(zhǎng)碳納米管的影響54-56
• 3.5 噻吩的影響56-57
• 3.6 水蒸氣的影響57-58
• 3.7 小結(jié)58-59
• 第四章 碳纖維表面牢固生長(zhǎng)碳納米的機(jī)理59-69
• 4.1 CNT/CF元素組成及晶型分析59-61
• 4.2 碳納米管的結(jié)構(gòu)特征61-64
• 4.3 碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理64-68
• 4.4 小結(jié)68-69
• 第五章 碳納米管/碳纖維性能的研究69-91
• 5.1 熱學(xué)性能69-70
• 5.2 拉曼表征70-72
• 5.3 力學(xué)性能72-82
• 5.3.1 單絲拉伸強(qiáng)度72-78
• 5.3.1.1 酸處理對(duì)纖維力學(xué)性能的影響73-74
• 5.3.1.2 不同催化劑濃度對(duì)纖維力學(xué)性能的影響74-75
• 5.3.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)纖維力學(xué)性能的影響75-76
• 5.3.1.4 保溫時(shí)間對(duì)纖維力學(xué)性能的影響76-77
• 5.3.1.5 石墨化對(duì)纖維力學(xué)性能的影響77-78
• 5.3.2 碳納米管與碳纖維表面的結(jié)合力表征78-79
• 5.3.3 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度79-82
• 5.4 電學(xué)性能82-85
• 5.4.1 單絲電阻率82-83
• 5.4.1.1 長(zhǎng)管碳纖維的電阻率82-83
• 5.4.1.2 石墨化CNT/CF的電阻83
• 5.4.2 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的層間電阻率83-85
• 5.5 碳纖維表面連續(xù)化生長(zhǎng)碳納米管85-88
• 5.5.1 碳纖維表面連續(xù)化生長(zhǎng)碳管纖維的單絲拉伸強(qiáng)度87-88
• 5.5.2 碳纖維表面連續(xù)生長(zhǎng)碳納米管纖維的電阻率88
• 5.6 小結(jié)88-91
• 第六章 總結(jié)91-93
• 參考文獻(xiàn)93-99
• 致謝99-101
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文101-103
• 作者和導(dǎo)師簡(jiǎn)介103-104
• 附件104-105

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 沃西源;國(guó)內(nèi)外幾種碳纖維性能比較及初步分析[J];高科技纖維與應(yīng)用;2000年02期

2 錢(qián)水林;;碳纖維表面處理技術(shù)探討[J];合成纖維;2008年11期

3 魯學(xué)林;王鈞;徐任信;張聯(lián)盟;;碳纖維導(dǎo)電紙及其復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J];高科技纖維與應(yīng)用;2008年04期

4 ;一種在碳纖維表面制備碳化硅涂層的方法[J];高科技纖維與應(yīng)用;2009年05期

5 馬剛峰;徐澤夕;常青;王新欣;劉書(shū)鋮;;碳纖維上漿劑的開(kāi)發(fā)和研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代紡織技術(shù);2012年05期

6 周軍鋒;姜術(shù)丹;司彥斌;鄒鑫;張穎;劉文;;造紙用碳纖維專利技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J];國(guó)際造紙;2012年05期

7 李一;聶俊輝;李楠;柳學(xué)全;賈成廠;;鎳覆膜碳纖維的制備與性能研究[J];功能材料;2012年13期

8 李艷;徐衛(wèi)平;張興龍;;碳纖維表面處理的研究進(jìn)展[J];化纖與紡織技術(shù);2013年03期

9 何秉檉;國(guó)內(nèi)碳纖維研究概況[J];玻璃鋼;1984年02期

10 聶嘉陽(yáng);碳纖維研究生產(chǎn)中值得注意的幾個(gè)問(wèn)題[J];宇航材料工藝;1984年01期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 姚江薇;于偉東;;碳纖維斷面結(jié)構(gòu)觀察[A];復(fù)合材料——基礎(chǔ)、創(chuàng)新、高效：第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）[C];2006年

2 于偉東;姚江薇;;碳纖維的表面處理及其時(shí)間效應(yīng)[A];復(fù)合材料——基礎(chǔ)、創(chuàng)新、高效：第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）[C];2006年

3 陳發(fā)橋;王繼輝;冀運(yùn)東;張彥文;;碳纖維表面處理對(duì)聚合物基復(fù)合材料電性能的影響[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（2）[C];2007年

4 張淑斌;劉福杰;王浩靜;孟令瑤;;等離子體技術(shù)在碳纖維表面處理中的應(yīng)用[A];第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議（納米復(fù)合材料與界面分論壇）論文集[C];2012年

5 李靈聰;王麗麗;于運(yùn)花;楊小平;;碳纖維表面性質(zhì)及其環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料濕熱性能研究[A];2013年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集——主題L：高性能樹(shù)脂[C];2013年

6 冀克儉;張以河;汪信;張復(fù)濤;張銀生;;碳纖維的臭氧表面處理及其XPS表征[A];加入WTO和中國(guó)科技與可持續(xù)發(fā)展——挑戰(zhàn)與機(jī)遇、責(zé)任和對(duì)策（下冊(cè)）[C];2002年

7 齊志軍;孫浩;李健卓;;碳纖維氣相表面處理的方法[A];低碳經(jīng)濟(jì)與科學(xué)發(fā)展——吉林省第六屆科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2010年

8 張美云;鐘林新;劉正偉;;碳纖維表面氧化改性的研究[A];中國(guó)造紙學(xué)會(huì)第十三屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下）[C];2008年

9 馬金瑞;趙龍;李敏;張佐光;;幾種碳纖維表面能差異性研究[A];第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議（納米復(fù)合材料與界面分論壇）論文集[C];2012年

10 王慧;林群芳;周曉東;;可針對(duì)不同性質(zhì)基體自適應(yīng)構(gòu)建強(qiáng)相互作用的碳纖維表面改性方法[A];2012年全國(guó)高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)學(xué)術(shù)論文集（下冊(cè)）[C];2012年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 柴英新;碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)有較長(zhǎng)安全壽命[N];中國(guó)建材報(bào);2007年

2 陳金昌 鐘雪華 金燦華;碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在舊房改建中的應(yīng)用[N];中華建筑報(bào);2006年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 范大鵬;臨界條件下碳纖維表面清洗及氧化的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

2 李素敏;結(jié)構(gòu)—儲(chǔ)能型碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及性能研究[D];江蘇大學(xué);2015年

3 顧紅星;國(guó)產(chǎn)T800碳纖維表征分析及樹(shù)脂基復(fù)合材料性能研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2015年

4 劉志高;氯化鋅活化木材液化物碳纖維孔形成歷程與吸附特性[D];北京林業(yè)大學(xué);2016年

5 王宇威;重氮反應(yīng)修飾碳纖維表面及其復(fù)合材料界面性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

6 武光順;碳纖維表面納米結(jié)構(gòu)修飾及其MPSR復(fù)合材料性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

7 馬麗春;碳纖維表面化學(xué)修飾及其復(fù)合材料界面性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

8 郭慧;碳纖維表面能、表面粗糙度及化學(xué)組成的表征[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

9 張建輝;竹材液化物碳纖維的制備、結(jié)構(gòu)與性能表征[D];北京林業(yè)大學(xué);2011年

10 喻冬秀;包覆型短碳纖維的制備和電磁性能的研究[D];華南理工大學(xué);2007年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 宋興來(lái);高溫高壓氨水改性碳纖維的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

2 范大鵬;超臨界二氧化碳對(duì)碳纖維的表面處理[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

3 林楓;缺陷損傷對(duì)碳纖維的強(qiáng)度以及模量的影響[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

4 楊波;碳纖維布增強(qiáng)C_f/Al復(fù)合材料的制備與性能研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

5 莊嚴(yán);碳纖維表面改性的研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

6 尚國(guó)秀;碳纖維水泥基復(fù)合材料纖維分散性及導(dǎo)電性能試驗(yàn)研究[D];鄭州大學(xué);2015年

7 張夏明;酚醛樹(shù)脂表面改性碳纖維界面行為與炭化工藝研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

8 王梓橋;碳纖維表面BAPPO改性及其復(fù)合材料界面耐原子氧性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

9 陳麗;碳纖維微觀結(jié)構(gòu)表征與性能分析[D];西南科技大學(xué);2015年

10 趙亮;硼系催化劑對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響[D];北京化工大學(xué);2015年

，

本文編號(hào)：1129291