电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能
发布时间：2020-12-05 17:49
采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs),借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体,制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明:EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征,该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率,诱导了高石墨微晶堆垛高度(Lc)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(La)热解炭的形成;EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量:当CNTs含量为0.74wt%时,复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa,比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%;继续提高CNTs含量,复合材料弯曲强度降低,这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关;同时,EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂,复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。
【文章来源】：无机材料学报. 2016年02期 第201-206页 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
EPD用CNTs的TEM形貌和微观组织照片
第2期齐乐华,等:电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能2032结果与分析图2为经不同时间EPDCNTs的碳布表面SEM照片,由图可见,沉积前,碳纤维表面具有明显的轴向沟壑结构(图2(a)),这是去胶碳纤维的典型形貌。沉积20s后,CNTs均匀分布在碳纤维表面(图2(b)),形成一层薄薄的多孔膜。由于沉积量较少,碳纤维表面结构依稀可见。沉积40s后,碳纤维表面CNTs量显著增多,形成一层连续、分布均匀的多孔涂层(图2(c)),相邻纤维间的间隙被EPDCNTs搭接;EPDCNTs依附于纤维表面分布,呈现随机取向,其间互相搭接,无纠缠团聚。沉积60s后(图2(d)),碳纤维表面形貌被EPDCNTs彻底覆盖,相邻纤维之间的间隙也完全被EPDCNTs遮掩,由CNTs涂层断面的形貌可见,沉积60s的CNTs涂层厚度约为2~4μm,相当于30~40min催化CVD制得的CNTs涂层的厚度[12],说明EPD在制备CNTs上具有显著优势。图3为不同量EPDCNTs掺杂C/C复合材料表观密度随CVD时间的变化曲线,即致密化曲线。对于纯C/C复合材料而言,CVD沉积30h以内,其表观密度随致密化时间延长而线性增加,随后,致密化速率逐渐减小;CVD100h后,复合材料表观密度可达1.64g/cm3。加入EPDCNTs后,复合材料致密化速率降低,且CNTs含量越高,降幅越大。当CNTs含量为0.74wt%和1.06wt%时,复合材料经过120h致密化后,表观密度仅达到1.61和1.55g/cm3,明显小于纯C/C复合材料。但是研究发现,CVDCNTs能够显著提高C/C的致密化速率,且随CVDCNTs量的增加,增幅变大[5]。C/C复合材料的致密化行为图2经不同时间EPDCNTs的碳布表面SEM照片Fig.2SEMimagesofcarbonfiberclothesdopedwithCNTsbyEPDfordifferenttime(a)0s;(b)20s;(c)40s;(d)60s与其预制体的内结构,特别是孔隙尺寸及其分布密切相关。相比三维空间内放射状分散分
维表面(图2(b)),形成一层薄薄的多孔膜。由于沉积量较少,碳纤维表面结构依稀可见。沉积40s后,碳纤维表面CNTs量显著增多,形成一层连续、分布均匀的多孔涂层(图2(c)),相邻纤维间的间隙被EPDCNTs搭接;EPDCNTs依附于纤维表面分布,呈现随机取向,其间互相搭接,无纠缠团聚。沉积60s后(图2(d)),碳纤维表面形貌被EPDCNTs彻底覆盖,相邻纤维之间的间隙也完全被EPDCNTs遮掩,由CNTs涂层断面的形貌可见,沉积60s的CNTs涂层厚度约为2~4μm,相当于30~40min催化CVD制得的CNTs涂层的厚度[12],说明EPD在制备CNTs上具有显著优势。图3为不同量EPDCNTs掺杂C/C复合材料表观密度随CVD时间的变化曲线,即致密化曲线。对于纯C/C复合材料而言,CVD沉积30h以内,其表观密度随致密化时间延长而线性增加,随后,致密化速率逐渐减小;CVD100h后,复合材料表观密度可达1.64g/cm3。加入EPDCNTs后,复合材料致密化速率降低,且CNTs含量越高,降幅越大。当CNTs含量为0.74wt%和1.06wt%时,复合材料经过120h致密化后,表观密度仅达到1.61和1.55g/cm3,明显小于纯C/C复合材料。但是研究发现,CVDCNTs能够显著提高C/C的致密化速率,且随CVDCNTs量的增加,增幅变大[5]。C/C复合材料的致密化行为图2经不同时间EPDCNTs的碳布表面SEM照片Fig.2SEMimagesofcarbonfiberclothesdopedwithCNTsbyEPDfordifferenttime(a)0s;(b)20s;(c)40s;(d)60s与其预制体的内结构,特别是孔隙尺寸及其分布密切相关。相比三维空间内放射状分散分布的CVDCNTs,EPDCNTs呈现二维平面内高密度堆积分布特征,相比于CVDCNTs涂层,EPD制备的CNTs涂层的内部孔隙尺寸要小得多。高倍SEM照片显示,EPDCNTs涂层内部的孔隙尺寸集中于100~300nm之间[11]。小孔结构可以促使热解炭急剧沉积,使得CNTs涂层?
【参考文献】：
期刊论文
[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]碳纳米管含量对炭炭复合材料组织及力学性能的影响(英文)[J]. 李克智,宋强,武立言,李贺军,弓巧娟. 无机化学学报. 2011(05)
[3]热处理温度对热解炭及炭/炭复合材料力学性能的影响[J]. 于守泉,张伟刚. 无机材料学报. 2010(03)
本文编号：2899845
【文章来源】：无机材料学报. 2016年02期 第201-206页 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
EPD用CNTs的TEM形貌和微观组织照片
第2期齐乐华,等:电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能2032结果与分析图2为经不同时间EPDCNTs的碳布表面SEM照片,由图可见,沉积前,碳纤维表面具有明显的轴向沟壑结构(图2(a)),这是去胶碳纤维的典型形貌。沉积20s后,CNTs均匀分布在碳纤维表面(图2(b)),形成一层薄薄的多孔膜。由于沉积量较少,碳纤维表面结构依稀可见。沉积40s后,碳纤维表面CNTs量显著增多,形成一层连续、分布均匀的多孔涂层(图2(c)),相邻纤维间的间隙被EPDCNTs搭接;EPDCNTs依附于纤维表面分布,呈现随机取向,其间互相搭接,无纠缠团聚。沉积60s后(图2(d)),碳纤维表面形貌被EPDCNTs彻底覆盖,相邻纤维之间的间隙也完全被EPDCNTs遮掩,由CNTs涂层断面的形貌可见,沉积60s的CNTs涂层厚度约为2~4μm,相当于30~40min催化CVD制得的CNTs涂层的厚度[12],说明EPD在制备CNTs上具有显著优势。图3为不同量EPDCNTs掺杂C/C复合材料表观密度随CVD时间的变化曲线,即致密化曲线。对于纯C/C复合材料而言,CVD沉积30h以内,其表观密度随致密化时间延长而线性增加,随后,致密化速率逐渐减小;CVD100h后,复合材料表观密度可达1.64g/cm3。加入EPDCNTs后,复合材料致密化速率降低,且CNTs含量越高,降幅越大。当CNTs含量为0.74wt%和1.06wt%时,复合材料经过120h致密化后,表观密度仅达到1.61和1.55g/cm3,明显小于纯C/C复合材料。但是研究发现,CVDCNTs能够显著提高C/C的致密化速率,且随CVDCNTs量的增加,增幅变大[5]。C/C复合材料的致密化行为图2经不同时间EPDCNTs的碳布表面SEM照片Fig.2SEMimagesofcarbonfiberclothesdopedwithCNTsbyEPDfordifferenttime(a)0s;(b)20s;(c)40s;(d)60s与其预制体的内结构,特别是孔隙尺寸及其分布密切相关。相比三维空间内放射状分散分
维表面(图2(b)),形成一层薄薄的多孔膜。由于沉积量较少,碳纤维表面结构依稀可见。沉积40s后,碳纤维表面CNTs量显著增多,形成一层连续、分布均匀的多孔涂层(图2(c)),相邻纤维间的间隙被EPDCNTs搭接;EPDCNTs依附于纤维表面分布,呈现随机取向,其间互相搭接,无纠缠团聚。沉积60s后(图2(d)),碳纤维表面形貌被EPDCNTs彻底覆盖,相邻纤维之间的间隙也完全被EPDCNTs遮掩,由CNTs涂层断面的形貌可见,沉积60s的CNTs涂层厚度约为2~4μm,相当于30~40min催化CVD制得的CNTs涂层的厚度[12],说明EPD在制备CNTs上具有显著优势。图3为不同量EPDCNTs掺杂C/C复合材料表观密度随CVD时间的变化曲线,即致密化曲线。对于纯C/C复合材料而言,CVD沉积30h以内,其表观密度随致密化时间延长而线性增加,随后,致密化速率逐渐减小;CVD100h后,复合材料表观密度可达1.64g/cm3。加入EPDCNTs后,复合材料致密化速率降低,且CNTs含量越高,降幅越大。当CNTs含量为0.74wt%和1.06wt%时,复合材料经过120h致密化后,表观密度仅达到1.61和1.55g/cm3,明显小于纯C/C复合材料。但是研究发现,CVDCNTs能够显著提高C/C的致密化速率,且随CVDCNTs量的增加,增幅变大[5]。C/C复合材料的致密化行为图2经不同时间EPDCNTs的碳布表面SEM照片Fig.2SEMimagesofcarbonfiberclothesdopedwithCNTsbyEPDfordifferenttime(a)0s;(b)20s;(c)40s;(d)60s与其预制体的内结构,特别是孔隙尺寸及其分布密切相关。相比三维空间内放射状分散分布的CVDCNTs,EPDCNTs呈现二维平面内高密度堆积分布特征,相比于CVDCNTs涂层,EPD制备的CNTs涂层的内部孔隙尺寸要小得多。高倍SEM照片显示,EPDCNTs涂层内部的孔隙尺寸集中于100~300nm之间[11]。小孔结构可以促使热解炭急剧沉积,使得CNTs涂层?
【参考文献】：
期刊论文
[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]碳纳米管含量对炭炭复合材料组织及力学性能的影响(英文)[J]. 李克智,宋强,武立言,李贺军,弓巧娟. 无机化学学报. 2011(05)
[3]热处理温度对热解炭及炭/炭复合材料力学性能的影响[J]. 于守泉,张伟刚. 无机材料学报. 2010(03)
本文编号：2899845
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2899845.html
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