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碳纳米管膜层间改性碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的结构调控及性能

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复合材料学报 2021年第6期38卷 1784-1794页

作者：李天舒王绍凯顾轶卓张伟李敏北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京100191

对比研究了热塑性层间增韧和碳纳米管(CNT)膜层间混杂碳纤维(CF)/双马来酰亚胺复合材料不同层间结构调控方法,分析了其复合材料的压缩、动态力学、导电和电磁屏蔽等性能的变化。结果表明,热密实可显著降低层间CNT膜的厚度,抑制其局部富... 详细信息

对比研究了热塑性层间增韧和碳纳米管(CNT)膜层间混杂碳纤维(CF)/双马来酰亚胺复合材料不同层间结构调控方法,分析了其复合材料的压缩、动态力学、导电和电磁屏蔽等性能的变化。结果表明,热密实可显著降低层间CNT膜的厚度,抑制其局部富树脂程度,CNT膜-CF混杂复合材料的压缩强度得以提升,其压缩断口形貌明显不同于初始的CF复合材料。对比而言,热塑性树脂层间增韧CF复合材料的压缩强度明显低于CNT膜/CF混杂复合材料。CNT膜的加入贯通了混杂复合材料的层间导电通路,其厚度方向电导率提高了3个数量级,然而不同复合材料的体积电导率则表现出明显的"木桶效应"。值得关注的是,CNT膜层间混杂对提高CF复合材料的电磁屏蔽特性作用显著,其中致密CNT膜混杂复合材料的电磁屏蔽效能可达到90 dB。

关键词：碳纤维碳纳米管膜层间混杂结构电导率电磁屏蔽

碳纳米管膜层间增强增刚碳纤维增强树脂基复合材料的压缩强度与导热性能

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复合材料学报 2024年第3期41卷 1235-1248页

作者：朱再斌凌辉杨小平李刚王超北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029 航天材料及工艺研究所北京100076

近年来结构功能一体化碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)受到广泛关注,而高强、高模和高导热的碳纳米管膜的层间增强增刚技术为此提供了新思路。本文基于原始的碳纳米管膜(P-CNTF),采用湿拉伸法和环氧化反应制备了取向、环氧化和取向-环... 详细信息

近年来结构功能一体化碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)受到广泛关注,而高强、高模和高导热的碳纳米管膜的层间增强增刚技术为此提供了新思路。本文基于原始的碳纳米管膜(P-CNTF),采用湿拉伸法和环氧化反应制备了取向、环氧化和取向-环氧化碳纳米管膜(S-CNTF、E-CNTF和S-E-CNTF),分别用于层间增强增刚CFRP(分别记作CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF),分析了碳纳米管膜的物化特性和拉伸性能,并结合Jumahat的联合预测模型和实验验证研究了碳纳米管膜对CFRP的纵向压缩强度和失效机制的影响,同时探讨了CFRP的面内导热性能及其导热机制。结果表明:相较P-CNTF,S-E-CNTF膜内碳管呈现高度取向的集束状态,表面化学活性明显增强,使其拉伸强度和模量分别提高到116 MPa和6.3 GPa。对比于CFRP,CFRP/S-E-CNTF的面内剪切模量和层间剪切强度分别提高了28.3%和34.2%,表明SE-CNTF能有效增强CFRP抵抗剪切变形和裂纹扩展的能力;模型预测表明CFRP/S-E-CNTF的理论弹性压缩应力和塑性压缩应力分别提高了30.7%和32.3%,并且与实验结果吻合较好;同时基于S-E-CNTF在CFRP层间区域构建的三维导热网络,CFRP/S-E-CNTF的面内导热系数提高到了7.8 W/(m·K)。

关键词：碳纳米管膜碳纤维增强树脂基复合材料层间增强层间增刚纵向压缩强度面内导热性能

碳纳米管膜层间增强增刚碳纤维复合材料的压缩强度和导热性能研究

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碳纳米管膜层间增强增刚碳纤维复合材料的压缩强度和导热性能研究

作者：朱再斌北京化工大学

学位级别：硕士

当前结构功能一体化成为了先进碳纤维复合材料的必然发展趋势,然而碳纤维复合材料层合板由于压缩载荷下层间富树脂区域对碳纤维的横向支撑作用弱以及容易发生分层破坏,使得复合材料层合板纵向压缩强度低。此外树脂的低导热率以及层间富... 详细信息

当前结构功能一体化成为了先进碳纤维复合材料的必然发展趋势,然而碳纤维复合材料层合板由于压缩载荷下层间富树脂区域对碳纤维的横向支撑作用弱以及容易发生分层破坏,使得复合材料层合板纵向压缩强度低。此外树脂的低导热率以及层间富树脂区域的界面相容性差,导致复合材料的面内导热性能差。为此,本论文提出了基于碳纳米管膜作为层间载体的层间增强增刚方法,通过湿拉伸法和环氧化反应优化了碳纳米管膜的物理化学结构,制备了结构功能一体化碳纤维复合材料,研究了层间碳纳米管膜对复合材料纵向压缩强度的影响以及与压缩失效的关联机制,同时探究了其对复合材料面内导热性能的增强机理,实现了纵向压缩强度和面内导热性能同步增强。(1)通过湿拉伸和环氧化反应优化碳纳米管膜(P-CNTF)的物理化学结构制备了取向碳纳米管膜(S-CNTF)、环氧化碳纳米管膜(E-CNTF)以及取向环氧化碳纳米管膜(S-E-CNTF),并基于热熔预浸法制备了碳纳米管/环氧树脂复合膜(P-CNT/epoxy film、SCNT/epoxy film、E-CNT/epoxy film以及S-E-CNT/epoxy film)。相较于P-CNTF,S-CNTF和S-E-CNTF的取向程度显著提高,碳纳米管发生重排呈现基于大集束状态的定向排列;E-CNTF和S-E-CNTF的表面成功引入了环氧基团,表面化学活性提高;物理化学结构的优化也导致了S-CNTF、E-CNTF和S-E-CNTF的拉伸强度和模量增加,管间应力传递效率改善,相较于P-CNTF,S-CNTF、E-CNTF和SE-CNTF的拉伸强度由26.8±2.1 MPa分别提高到了81.2±3.2 MPa、64.3±1.3 MPa和116.2±2.7 MPa,而拉伸模量分别由0.33±0.04Gpa分别提高到了3.13±0.42 GPa、1.13±0.31 GPa以及6.32±0.75GPa。此外,相较于P-CNT/epoxy film,S-CNT/epoxy film、ECNT/epoxy film以及S-E-CNT/epoxy film的模量分别提高了1.9倍、1.2倍和3.3倍,其中,S-E-CNT/epoxy film的刚度最高。(2)分别以P-CNTF、S-CNTF、E-CNTF和S-E-CNTF作为层间载体制备了层间增强增刚碳纤维复合材料(CFRP/P-CNTF、CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF以及CFRP/S-E-CNTF)。相较于CFRP复合材料,CFRP/P-CNTF、CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF复合材料的面内剪切模量分别提高了8.6%、21.2%、13.8%和28.3%,层间剪切强度分别提高了5.3%、7.4%、22.1%和34.2%,表明复合材料抵抗剪切变形和层间裂纹扩展的能力得到加强;而模型预测表明,CFRP/P-CNTF、CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF复合材料的理论弹性压缩应力由857.5±59.6MPa分别提高到了907.1±53.1 MPa、1012.6±36.5 MPa、978.3±46.9 MPa和1120.8±42.3 MPa,理论塑性压缩应力由207.3±21.1MPa分别提高到了237.5±29.1 MPa、241.0±19.5 MPa、256.7±26.2 MPa以及274.2±37.4 MPa,并且与实验测试结果吻合较好,由实验测得的纵向压缩强度分别提高了5.5%、16.4%、21.7%和35.2%,表明增强的层间刚度以及层间界面结合抑制了扭结带失效和分层破坏。此外,对比于CFRP复合材料,CFRP/P-CNTF、CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF复合材料的面内导热系数由4.32±0.08 W/(m·K)分别提高到了5.70±0.04 W/(m·K)、6.43±0.24W/(m·K)、6.11±0.07 W/(m·K)以及7.80±0.11 W/(m·K),表明碳纳米管膜在复合材料中构建了贯穿层间区域的三维导热网络结构,提高了热量的传输效率。

关键词：碳纳米管膜湿拉伸环氧化纵向压缩强度面内导热性能

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碳纳米管膜及其加热元件的性能研究

北京服装学院学报（自然科学版） 2021年第4期41卷 50-57页

作者：杨颖刘皓王探宇李悦刘莉刘一涛天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 北京服装学院服装艺术与工程学院北京100029 东华大学纺织科技创新中心上海201620 智能可穿戴电子纺织品研究所天津300387

为开发具备良好加热性能的加热元件,采用轻薄柔软、高导电率的碳纳米管膜(CNTs-F)为基底制备碳纳米管膜加热元件(CNTs-HE),探究CNTs-F的长宽比和面积变化对其加热性能的影响,测试CNTs-HE的加热性能、电阻稳定性和力学性能。结果表明:CNT... 详细信息

为开发具备良好加热性能的加热元件,采用轻薄柔软、高导电率的碳纳米管膜(CNTs-F)为基底制备碳纳米管膜加热元件(CNTs-HE),探究CNTs-F的长宽比和面积变化对其加热性能的影响,测试CNTs-HE的加热性能、电阻稳定性和力学性能。结果表明:CNTs-F的最大平衡温度与长宽比呈现高度线性负相关,面积变化也影响其最大平衡温度。CNTs-HE具有良好的升温特性和表面温度均匀性,在5 V电压下可快速升温至64℃,温差变化率为5.9%,且最大平衡温度与电压呈高度线性相关;此外,CNTs-HE还具有优异的电阻稳定性和力学性能。

关键词：积极保暖碳纳米管膜柔性电加热元件电热性能电阻稳定性

碳纳米管膜层间改性碳纤维/环氧树脂复合材料

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高分子学报 2013年第10期23卷 1334-1340页

作者：刘刚胡晓兰张朋余荣禄包建文陈名海李清文益小苏北京航空材料研究院先进复合材料重点实验室中航工业复合材料技术中心北京100095 厦门大学材料学院福建省防火阻燃材料重点实验室(厦门大学) 厦门361005 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所苏州215123

采用碳纳米管膜作为碳纤维/环氧树脂复合材料的层间改性材料,应用液态成型树脂传递模塑工艺制备了碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料,利用Ⅰ型层间韧性与Ⅱ型层间韧性表达了其韧性相关性能,并分析了改性机理.碳纳米管膜在混杂复... 详细信息

采用碳纳米管膜作为碳纤维/环氧树脂复合材料的层间改性材料,应用液态成型树脂传递模塑工艺制备了碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料,利用Ⅰ型层间韧性与Ⅱ型层间韧性表达了其韧性相关性能,并分析了改性机理.碳纳米管膜在混杂复合材料层间仍然保持其原有连续网格结构形式,这种形式对张开型Ⅰ型层间断裂韧性没有明显的改性作用,但对于滑移型Ⅱ型层间断裂韧性具有显著的改性效果.碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性从碳纤维/环氧树脂复合材料的1292 J/m2提高到了2869 J/m2,提高了120%.材料微观形貌分析表明,这种由碳纳米管相互交叠、缠结而形成的网络结构有效地阻碍了层间微裂纹的扩展.

关键词：复合材料碳纳米管膜层间改性 RTM

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聚苯胺/碳纳米管膜的制备及其水处理性能

大连工业大学学报 2024年第2期43卷 119-124页

作者：徐舟航王冠龙张秀芳大连工业大学轻工与化学工程学院辽宁大连116034

设计了一种具有光热转换功能及PDS活化性能的聚苯胺/碳纳米管膜,利用其光热转换能力高效活化PDS增强水处理效率。通过扫描电子显微镜、红外、能谱分析、X射线衍射、拉曼等对膜的物理化学特性进行了系统表征,以苯酚为目标物考察了催化膜... 详细信息

设计了一种具有光热转换功能及PDS活化性能的聚苯胺/碳纳米管膜,利用其光热转换能力高效活化PDS增强水处理效率。通过扫描电子显微镜、红外、能谱分析、X射线衍射、拉曼等对膜的物理化学特性进行了系统表征,以苯酚为目标物考察了催化膜的性能。光照条件下(波长大于400 nm),催化膜的表面温度、通量和污染物去除效率均显著提升,该催化膜可以在6 834.2 L/(m^(2)·h·MPa)的高通量下实现88.5%的苯酚去除,效率是没有光照条件下催化膜性能的3.1倍,是单独膜分离过程的22.7倍。聚苯胺含量的增加和水力停留时间的延长有助于提高膜性能。

关键词：聚苯胺碳纳米管膜水处理膜分离

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微纤复合碳纳米管膜的制备及其在甲苯分离净化中的应用研究

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微纤复合碳纳米管膜的制备及其在甲苯分离净化中的应用研究

作者：王子鉴华南理工大学

学位级别：硕士

科技的发展和进步改善了人民的生活条件,同时也带来了一系列的污染问题。其中就包括挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)的乱排乱放。VOCs的排放会引起大气的光化学反应并且严重威胁到人类健康以及环境。碳纳米管(Carbon... 详细信息

科技的发展和进步改善了人民的生活条件,同时也带来了一系列的污染问题。其中就包括挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)的乱排乱放。VOCs的排放会引起大气的光化学反应并且严重威胁到人类健康以及环境。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)具有较高的比表面积,良好的机械强度,超高的导热导电性能,并且碳纳米管侧壁带有的官能团有助于其对VOCs的吸附及催化。因此对于空气中VOCs的脱除,碳纳米管是一种十分有效的材料。但碳纳米管很容易产生团聚效应而导致性能大大降低。而微纤复合材料的高孔隙率,三维网状的立体结构不仅能够帮助碳纳米管分散,还能够减小床层阻力,提高床层传质。因此本文以湿式造纸工艺和烧结工艺制备的纸状烧结不锈钢纤维(Paper-like sintered stainless steel fibers,PSSF)为载体,采用化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)在其表面合成连续的碳纳米管膜。最终得到CNTs/PSSF。研究了甲苯在基于其结构化固定床的吸附行为,并且进一步通过CVD法和浸渍法(Impregnation method,IM)将CoO催化剂负载在CNTs/PSSF上,应用于甲苯的催化燃烧。首先,研究了微纤复合碳纳米管膜材料的制备工艺技术。通过湿法造纸和烧结工艺,以直径为微米级不锈钢微纤为原料,制备纸状不锈钢微纤载体;然后采用化学气相沉积法在经过表面改性的不锈钢微纤表面合成碳纳米管膜,形成微纤复合碳纳米管膜材料。通过SEM、TG、N吸脱附以及Raman等现代表征技术,考察了不同制备条件对碳纳米管微观形貌、表面缺陷、热性能以及孔结构与比表面积等性能的影响。同时,研究了甲苯在基于CNTs/PSSF和CNT组成结构化固定床的吸附透过行为。结果表明,以樟脑为碳源、生长温度750℃、生长时间30 min、碳源与载体质量比3以及N流量200 sccm的条件下,所制备的CNTs/PSSF的碳纳米管生长密度较高,碳产率为17.4%,比表面积约为7.148 m/g,I/I为0.682。在固定床出口端装填一定比例的颗粒CNT和CNTs/PSSF,对比研究甲苯在不同床层比例下结构化固定床上的吸附透过行为。通过对甲苯的吸附透过曲线研究,结果表明:当床层结构为1.5 cm颗粒CNT和1.5 cm CNTs/PSSF时,该结构化固定床的无效床层厚度(Length of unused bed,LUB)最小(1.010 cm),床层利用率最大(66.33%),相比于3 cm颗粒CNT的结构化床层LUB(1.219 cm)显著降低了,床层利用率(59.36%)显著提高。同时Yoon-Nelson模型拟合结果显示3 cm颗粒CNT的结构化床层的速率常数k’为0.02958 min,而在引入CNTs/PSSF后,1.5 cm颗粒CNT和1.5 cm CNTs/PSSF的床层结构速率常数k’为0.06040min,这表明甲苯在1.5 cm颗粒CNT与1.5 cm CNTs/PSSF组成的床层结构中的传质和接触效率更高。其次以CNTs/PSSF为载体,合成微纤复合碳纳米管膜催化剂。通过SEM、TEM、XRD、Raman、XPS以及H-TPR等表征,考察了不同方法、不同负载量以及不同载体制备考察了不同负载量以及载体制备微纤复合碳纳米管膜催化剂的表面微观形貌、CoO催化剂的负载含量、催化剂晶粒大小,Co元素价态以及催化剂还原性能等。结果表明,负载量的增加对催化剂的影响主要表现为催化剂活性组分晶粒尺寸的增大,Co和O含量的提高以及氢气还原峰面积的增大。10%的负载量制备的CoO-CNTs/PSSF催化剂催化性能最佳。使用CNTs/PSSF为载体时,由于CNT的存在为活性组分提供了锚点,因此获得更高的实际负载量和Co含量。采用不同的制备方法时,其中CVD法制备的催化剂活性组分粒径大小均一,且分散均匀,平均晶粒大小约为18.6 nm,相比相同负载量下IM法制备的催化剂晶粒(39.9 nm)显著减小,同时CVD-10的还原峰温度为290℃,低于IM-10的295℃。并且CVD-10对甲苯催化燃烧的T和T分别为325℃和404℃,分别比IM-10的T和T低26℃和37℃。这表明化学气相沉积法制备的催化剂活性组分分散更均匀,晶粒大小更统一,可以显著提高反应接触效率,强化传质。

关键词：碳纳米管膜微纤复合材料化学气相沉积甲苯吸附催化燃烧

碳纳米管膜溅射处理在柔性锂离子电池和电磁屏蔽的应用

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碳纳米管膜溅射处理在柔性锂离子电池和电磁屏蔽的应用

作者：赵超锋江西理工大学

学位级别：硕士

碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)理论上具有优异的导电性能,因而其应用前景十分广阔。然而目前由于生产工艺等因素的限制,常见的合成方法所制备的CNTs中会夹杂一些杂质,这在很大程度上降低了CNTs的导电性能。基于CNTs管束集合而成的CNT... 详细信息

碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)理论上具有优异的导电性能,因而其应用前景十分广阔。然而目前由于生产工艺等因素的限制,常见的合成方法所制备的CNTs中会夹杂一些杂质,这在很大程度上降低了CNTs的导电性能。基于CNTs管束集合而成的CNTs宏观膜(CNTs macro-film,CMF)更会受到CNTs中杂质的影响,使其性能无法达到预期而限制其在实际生产中的应用。因此,对CMF进行改性,提高其导电性能,是实现CNTs及CMF工业化应用可能性的重要一步。(1)本文通过磁控溅射工艺,制备了与CMF基底紧密结合的CMF/金属复合薄膜。该复合薄膜不仅在一定程度上遗传了CMF基底的三维表面形貌,保持了CMF本身轻质、柔韧的特点,还提高了CMF导电性能,为CMF/金属复合薄膜在实际生活生产中应用奠定坚实基础。(2)分别将制备出的CMF@Al和CMF@Cu复合薄膜,作为锂离子电池(Lithium-ion batteries,LIBs)正、负极集流体,研究基于复合薄膜制备的柔性LIBs电化学性能。由于集流体在导电性能上的优化,其对电子传输效率增加,使基于CMF/金属复合膜制备的Li Co O/Graghite全电池,其倍率性能和大倍率循环性能较商业Al-Cu和CMF-CMF集流体的全电池有较大改善,如5 C下基于复合薄膜的全电池经200圈循环后比容量保持97.4 m Ah g,远高于基于原始CMF的64 m Ah g和金属箔的54 m Ah g。同时,通过测试全电池的交流阻抗,发现其内部阻抗显著降低,输出电流明显提高。此外,CMF/金属复合薄膜与活性物质之间具有牢固的结合性,反复折叠操作对该电池的电化学性能无明显影响。(3)通过四探针测试CMF@Cu复合膜的导电性能,发现其方块电阻由原始CMF的4.2Ωcm降低到0.17Ωcm,对应的电导率则由初始的390 S cm提高到5.9×10S cm。而屏蔽材料在导电性能上的增加能有效提高其电磁屏蔽性能(Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness,EMI SE)。通过矢量网络分析仪测试CMF@Cu复合薄膜的EMI SE,结果发现其在2.6-18 GHz波段SE从原始CMF的35 d B提升至101 d B,分析表明,这正是CMF本身的三维结构及高电导率的金属镀层协同作用的结果。

关键词：碳纳米管膜磁控溅射导电性能电磁屏蔽柔性锂离子电池

取向碳纳米管膜/氰基树脂复合材料的制备与性能强化机制

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复合材料学报 2017年第12期34卷 2653-2660页

作者：刘千立王晓蕾李敏王绍凯顾轶卓田杰张佐光北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191 上海复合材料科技有限公司上海201112 上海航天树脂基复合材料工程技术研究中心上海201112

以浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)碳纳米管(CNT)膜为原料,通过氰基树脂溶液浸渍法制备CNT预浸膜,然后采用热辅助牵伸和热压固化的方法制备高取向CNT膜复合材料。详细分析了热处理的温度和树脂溶液浓度对CNT预浸膜拉伸性能的影响,从而得... 详细信息

以浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)碳纳米管(CNT)膜为原料,通过氰基树脂溶液浸渍法制备CNT预浸膜,然后采用热辅助牵伸和热压固化的方法制备高取向CNT膜复合材料。详细分析了热处理的温度和树脂溶液浓度对CNT预浸膜拉伸性能的影响,从而得到合适的热辅助牵伸工艺,并考察固化工艺对复合材料性能的影响。在此基础上,从浸润特性、CNT取向程度和层间剪切性能方面揭示CNT膜复合材料力学性能的强化机制。结果表明与传统CNT膜牵伸工艺相比,CNT预浸膜热牵伸工艺更有利于制备高取向CNT膜复合材料。热牵伸的温度和树脂溶液的浓度是制备高取向、低孔隙CNT预浸膜的关键因素。通过固化工艺的改变可有效调控氰基树脂的反应程度碳纳米管薄膜/氰基树脂复合材料的拉伸性能。经高温后固化处理后,CNT膜/氰基树脂复合材料的拉伸强度和模量分别高达2 748 MPa和302GPa。优异的树脂浸润特性、层间剪切强度以及高的CNT取向度使CNT膜复合材料中CNT更有利于协同承载,从而提高其力学性能。

关键词：碳纳米管膜热牵伸取向复合材料拉伸性能