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基于电泳沉积法的Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene改性国产高模高强碳纤维

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复合材料学报 2024年第6期41卷 2968-2979页

作者：曹洪硕黄玲刘哲田艳红张学军北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

为提升国产高模高强碳纤维的表面特性及其复合材料的界面性能,采用连续化电泳沉积工艺,在国产高模高强碳纤维(BHM5碳纤维)表面构筑Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene纳米片层。通过SEM、XPS、动态接触角、INSTRON万能材料试验机对改性前、后BHM5碳... 详细信息

为提升国产高模高强碳纤维的表面特性及其复合材料的界面性能,采用连续化电泳沉积工艺,在国产高模高强碳纤维(BHM5碳纤维)表面构筑Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene纳米片层。通过SEM、XPS、动态接触角、INSTRON万能材料试验机对改性前、后BHM5碳纤维的表面形态、表面元素含量、表面润湿性及其复合材料的力学性能和断面形貌进行了表征,探讨了Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene改性BHM5碳纤维复合材料的界面增强机制。结果表明:经Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene改性后的BHM5碳纤维表面粗糙度和比表面积增加,具备了与环氧树脂基体良好的机械互锁能力。碳纤维表面极性基团的含量明显上升,表面润湿性得以增强。在15 V电压下对BHM5碳纤维处理2 min后,其复合材料的层间剪切强度达到82.54 MPa,相较于未处理的碳纤维制成的复合材料,提升了28.2%。

关键词：高模高强碳纤维电泳沉积复合材料 Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene 界面性能

基于D-A反应的热可逆聚氨酯合成及其碳纤维复合材料的制备与性能

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复合材料学报 2024年第4期41卷 1914-1922页

作者：闫欣悦丁楠洋王成忠北京化工大学、材料科学与工程学院北京100029 碳纤维及功能高分子教育部重点实验室北京100029

以二异氰酸酯(MDI)、聚醚多元醇(PTMG)和2,5-呋喃二甲醇合成了含有呋喃结构的线型聚氨酯,与双马来酰亚胺基二苯甲烷(BMI)通过Diels-Alder反应制备了热可逆聚氨酯固化物,并制备了碳纤维单向复合材料。通过高温红外和DSC分析了聚氨酯树脂... 详细信息

以二异氰酸酯(MDI)、聚醚多元醇(PTMG)和2,5-呋喃二甲醇合成了含有呋喃结构的线型聚氨酯,与双马来酰亚胺基二苯甲烷(BMI)通过Diels-Alder反应制备了热可逆聚氨酯固化物,并制备了碳纤维单向复合材料。通过高温红外和DSC分析了聚氨酯树脂的热可逆行为,研究了树脂的溶解性、熔融再加工性及力学性能,分析了碳纤维复合材料的力学性能和动态机械性能。结果表明:热可逆聚氨酯固化物在热循环中有反复断键-交联行为,160℃左右可完成逆反应;采用高温溶剂溶解法或热熔法均可以进行再加工,再加工3次后仍能保持原有力学性能;碳纤维单向复合材料的层间剪切呈二次失效特点,层间剪切强度为34.85 MPa,玻璃化转变温度为93.73℃。

关键词：热可逆聚氨酯 D-A反应复合材料回收利用二次失效

硫酸环境下电流强度对碳纤维表面电化学活化的影响

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复合材料学报 2024年第4期41卷 1788-1797页

作者：马崇攀张洋张恒高爱君王宇北京化工大学材料科学与工程学院北京100029 碳纤维及功能高分子教育部重点实验室北京100029

碳纤维的碳含量在90%以上,表面惰性强,表面活化处理是其制备过程中的重要工艺。研究采用XPS、Raman、动态接触角、单丝拉伸和界面剪切强度等测试方法,借助非接触式阳极氧化装置,明确了稀H2SO4作为电解液时电流强度对电化学活化碳纤维表... 详细信息

碳纤维的碳含量在90%以上,表面惰性强,表面活化处理是其制备过程中的重要工艺。研究采用XPS、Raman、动态接触角、单丝拉伸和界面剪切强度等测试方法,借助非接触式阳极氧化装置,明确了稀H2SO4作为电解液时电流强度对电化学活化碳纤维表面结构和性能的影响。结果表明:活性氧[O]进攻碳纤维表面使其含氧活性官能团含量增加,在本研究范围内电流越大活化效果越显著;处于阳极附近的碳纤维,受静电与扩散作用影响,SO_(4)^(2−)和S_(2)O_(8)^(2−)进入碳结构内部间隙,碳纤维表面S/C升高,直径增大。在SO_(4)^(2−)刻蚀作用下,碳纤维表面无序碳结构脱落而缺陷减少,石墨化程度降低;SO_(4)^(2−)和S_(2)O_(8)^(2−)插层进入碳结构内部,通过静电作用形成缔合结构,在刻蚀和插层的共同作用下,碳纤维的单丝拉伸强度提升,最高提高了16.77%。0.5 A电流处理后,碳纤维表面粗糙度提升,表面可与环氧树脂基体反应的羟基、羧基官能团含量最高,碳纤维表面极性最强,与去离子水的动态接触角由未处理时的89.9°降低到50.6°,相应的复合材料界面剪切强度提高了47.70%。

关键词：碳纤维电化学活化表面结构稀硫酸活性氧[O]

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

石墨烯纳米片改性高模碳纤维复合材料的界面及湿热性能

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复合材料学报 2024年

作者：毛新东田艳红孙江曼张学军北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室

高模量碳纤维（HMCF）复合材料的界面性能一直是影响其应用的关键所在，对HMCF进行表面改性则是实现界面性能提高的重要途径之一。采用电泳沉积法将石墨烯纳米片（GNP）引入到HMCF表面，通过扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）对... 详细信息

高模量碳纤维（HMCF）复合材料的界面性能一直是影响其应用的关键所在，对HMCF进行表面改性则是实现界面性能提高的重要途径之一。采用电泳沉积法将石墨烯纳米片（GNP）引入到HMCF表面，通过扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）对改性前后的HMCF表面形貌、表面化学状态进行了表征，测试了改性前后HMCF增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度（ILSS）和吸湿率。结果表明，HMCF表面电泳沉积GNP，不仅可以改善其增强环氧树脂复合材料的界面性能，同时也能降低复合材料的吸湿率。在GNP浓度为0.5 mg/mL，电泳沉积电压为10 V时，复合材料层间剪切性能提高了8.8%，达到75.6 MPa；90℃、80RH%环境下存放30天后，与未改性样品相比，其吸湿率降低了9.5%，存放60天后层间剪切性能仍保持在67.8 MPa。改性高模量碳纤维复合材料界面性能与耐湿热性能均得以提高。

关键词：高模碳纤维 GNP 电泳沉积复合材料湿热性能界面性能

基于光调控胆甾相液晶的圆偏振发光材料的研究进展

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中国科学：化学 2024年第8期54卷 1321-1328页

作者：康文欣任天淇孟宪宇李山郭金宝北京化工大学材料科学与工程学院北京100029 北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室北京100029

圆偏振发光(CPL)在手性荧光探针、圆偏振有机发光二极管和光学防伪等领域具有潜在应用.为了扩大CPL材料的应用范围,研究人员开始关注刺激响应型CPL活性材料.胆甾相液晶(CLC)因其高度有序的手性环境以及优异的可调性已成为刺激响应CPL活... 详细信息

圆偏振发光(CPL)在手性荧光探针、圆偏振有机发光二极管和光学防伪等领域具有潜在应用.为了扩大CPL材料的应用范围,研究人员开始关注刺激响应型CPL活性材料.胆甾相液晶(CLC)因其高度有序的手性环境以及优异的可调性已成为刺激响应CPL活性材料的理想选择.目前,基于CLC的光响应CPL材料已得到广泛开发,这些材料通常能在多组分系统中实现CPL信号响应.本综述重点关注CLC中光调控CPL的研究进展,总结了CPL调控的三种策略:(1)利用光驱动过程光开关分子的手性或螺旋变化调控CLC的CPL信号;(2)利用手性光开关与手性掺杂剂间手性竞争关系调控CLC的CPL信号;(3)利用光驱动非手性二向色性染料有序参数值变化调控CPL信号.本综述有望为基于光响应CLC的CPL调控提供重要的参考和指导,以推动其在更广泛领域的应用.

关键词：圆偏振发光光调控胆甾相液晶手性反转

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激光辐照碳纤维温度均匀性仿真分析

北京化工大学学报（自然科学版） 2024年第4期51卷 59-66页

作者：万凯谭晶丁奇胜罗丽华吴雪松杨卫民北京化工大学机电工程学院北京100029 北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

为解决激光辐照碳纤维温度不均匀引起的石墨化不均匀、模量差别大的问题,利用COMSOL软件建立了高斯与平顶激光辐照碳纤维热传导-热对流-热辐射的仿真模型,对比分析了高斯光强和平顶光强激光辐照碳纤维的升温特性以及温度分布,研究了不... 详细信息

为解决激光辐照碳纤维温度不均匀引起的石墨化不均匀、模量差别大的问题,利用COMSOL软件建立了高斯与平顶激光辐照碳纤维热传导-热对流-热辐射的仿真模型,对比分析了高斯光强和平顶光强激光辐照碳纤维的升温特性以及温度分布,研究了不同激光辐照下,碳纤维的表面、截面温度分布以及达到烧蚀温度后碳纤维的烧蚀情况。实验结果表明:平顶激光辐照碳纤维的表面、截面温度分布较高斯激光更均匀,整体温差更小;不同激光辐照碳纤维的烧蚀深度呈线性变化,并且平顶激光辐照碳纤维的烧蚀速率更小。因此,平顶激光相较于高斯激光可控性更高,辐照碳纤维的温差更小,使其石墨化程度更均匀。

关键词：碳纤维石墨化传热相变数值模拟

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激光辐照碳纤维石墨化均匀性及力学性能分析

化工进展 2024年

作者：万凯杨卫民丁奇胜殷荣政李好义谭晶北京化工大学机电工程学院北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室

为解决激光辐照碳纤维石墨化不均匀、模量差别大的问题，本文通过实验研究了单、双侧高斯激光辐照碳纤维，确定了碳纤维石墨化不均匀性是由激光光强分布和纤维束传热引起的温度不均导致的，采用光强分布均匀的平顶激光辐照薄层化碳纤维... 详细信息

为解决激光辐照碳纤维石墨化不均匀、模量差别大的问题，本文通过实验研究了单、双侧高斯激光辐照碳纤维，确定了碳纤维石墨化不均匀性是由激光光强分布和纤维束传热引起的温度不均导致的，采用光强分布均匀的平顶激光辐照薄层化碳纤维显著提高了碳纤维石墨化的均匀性，对比了高斯激光直接辐照碳纤维与平顶激光辐照薄层化碳纤维的力学性能变化，通过Weibull分布函数对碳纤维力学性能的离散性进行统计分析。结果表明：通过平顶激光辐照薄层化碳纤维的石墨化均匀性得到显著提高，平均拉伸模量从227.37GPa提高至311.90GPa，提高了37.18%，相较于高斯激光直接辐照，平顶激光辐照薄层化碳纤维的拉伸模量变异系数由44%降低至12%，模量的Weibull模数显著提高，离散性降低。

关键词：碳纤维石墨化激光力学性能 Weibull

同轴静电共喷纺及其在锂离子电池复合隔膜改性中的应用

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高分子材料科学与工程 2024年第3期40卷 125-132页

作者：任婕刘太奇郑玄之安雪谢成西吴飞翔北京石油化工学院环境材料研究中心北京102617 北京化工大学材料科学与工程系北京100029

文中介绍了一种制备纳米复合膜的方法——同轴静电共喷纺。首先组装了由外喷嘴和内喷嘴构成的同轴共喷纺装置,将静电纺丝与静电喷涂结合起来,利用该技术制备纳米纤维/颗粒复合膜。将聚偏氟乙烯(PVDF)/SiO_(2)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)... 详细信息

文中介绍了一种制备纳米复合膜的方法——同轴静电共喷纺。首先组装了由外喷嘴和内喷嘴构成的同轴共喷纺装置,将静电纺丝与静电喷涂结合起来,利用该技术制备纳米纤维/颗粒复合膜。将聚偏氟乙烯(PVDF)/SiO_(2)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,从外喷口制备颗粒;PVDF溶于DMF和丙酮混合物中,从内喷口制备纤维,成功制备了同时含颗粒和纤维的PVDF&PVDF/SiO_(2)复合膜,复合膜中颗粒的平均粒径为2.01μm,纤维平均直径为0.43μm。然后将PVDF&PVDF/SiO_(2)复合膜原位涂覆在商用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)隔膜上,从而制备了一种新型锂离子电池复合隔膜。测试结果表明,该复合隔膜的孔隙率为85.96%,比UHMWPE基材膜的37.85%有明显的提高,纵向收缩率由7.28%降低到5.26%,复合隔膜接触角由48.55°降低到14.93°。与未改性的商用隔膜相比,同轴静电共喷纺制备的复合隔膜首次充放电比容量由107.8 mAh/g提高到122.4 mAh/g,经50次循环后,仍具有良好的循环稳定性。

关键词：同轴静电共喷纺复合隔膜孔隙率