基于碳纳米管纸复合材料雷电防护结构的设计及性能表征
发布时间：2021-08-17 10:37
碳纳米管纸（Buckypaper,BP）,亦称为碳纳米管薄膜,其作为宏观的碳纳米管（Carbon Nanotube,CNT）材料,不但具有轻质、耐腐蚀及优异的导电性等特性,还具有碳纳米管粉末所不具备的易于操作及易于与树脂基材料复合等优点,因此,碳纳米管纸及其复合材料近年来备受科研人员的关注。据文献报道,由于柔性的碳纳米管纸及其复合材料具有诸多优异的特性,其在飞行器的雷电防护领域极具研究价值。本文为提高基于碳纳米管纸的防护结构的雷电防护性能,研究并制备了不同种类的改性碳纳米管纸及其复合材料,通过结构的优化设计,制备了一系列的基于碳纳米管纸的雷电防护复合材料,并验证了将其应用于雷电防护领域的可能性。本文采用碳纳米管悬浊液抽滤法所制备的碳纳米管纸,去除残余分散剂后,其电导率略有提高,使得其在Ku波段具有34.3-42.9 d B的电磁屏蔽效能。为提高碳纳米管纸的力学性能,向碳纳米管纸中引入聚丙烯腈（Polyacrylonitrile,PAN）静电纺丝纤维,制备出了碳纳米管/聚丙烯腈复合薄膜（CNT/PAN）,与碳纳米管纸相比,其力学性能在一定程度上有所提升。由于渗入了CNT的PAN层存在大量...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
飞机遭遇雷击后的损伤情况a)天线罩及b)垂尾部分[2,5]
时间不超过500us；B电流波形代表初始回击或再触发的中间电流，其平均幅值在2kA左右，且持续时间不超过5ms，此过程中传导的电荷量在10C左右（±10%）；C波形代表长时间电流作用产生的雷电回击，此过程中传导的电荷量为200C（±20%），其电流波形的幅值为400A，持续时间在0.25~1s之间；D波形则代表随后的回击电流分量，其幅值峰值为100kA（±10%），其持续时间不超过500us。四类电流的波形参数如图1-2b)所示[5,21]。四类电流波形的组合通过冲击电流发生器施加在待测试样上，用于测试及分析雷电防护复合材料的防护性能。图1-2a)SAEARP5414标准中介绍的雷击能量区域在一架飞机上的分布[23,24]；b)SAEARP5412标准中介绍的模拟雷击测试所使用的四个电流波形[5,21]Fig.1-2a)LightningstrikingzoneareasforanaircraftaccordingtoSAEARP5414[23,24];b)FourcurrentwaveformsusedinsimulatedlightningtestsaccordingtoSAEARP5412[5,21]1.2.2复合材料的雷击损伤研究与金属材料相比，CFRP材料的导电性能相对较差，在雷击能量的作用下容易造成较为严重的损伤，会大幅降低其力学性能，严重影响飞行安全[25]。通过对飞机遭受的雷击过程进行的长期研究，科研人员发现雷击电流对飞机的影响主要包括直接影响和间接影响[26]，而对复合材料的损伤主要源自雷击电流产生的直接影响。雷电作用是一个多物理场的耦合作用，由于此过程过于复杂，现阶段在雷击前，无法准确的通过计算来预测材料的雷击损伤情况。目前对于CFRP材料雷击后的破坏现象的研究主要局限于定性描述[27]，仅能通过数值模拟及模拟雷击试验的结果以定性的研究CFRP材料的失效机理[28-30]，即雷击电流瞬间通过放电通道导入复合材料，根据焦耳定律，雷击电流产生的巨大能量
哈尔滨工业大学工学博士学位论文8孔径需在1um以下，以便于滤出溶剂及分散剂，并将CNT留在滤膜上。图1-3CNT悬浊液抽滤法制备碳纳米管纸的制备工艺流程示意图及碳纳米管纸的形貌Fig.1-3SchematicdiagramandmorphologyoftheBPpreparedviaCNTsuspensionfiltrationmethod由于CNT悬浊液抽滤法的易操作性，近年来科研人员对改进CNT悬浊液抽滤法工艺和提高此方法制备的碳纳米管纸的性能给予关注。Zhang等人[51]设计将CNT间作用较弱的范德华力转化成较强的氢键作用，从而提高碳纳米管纸的力学性能。因此，利用酸处理后的单壁碳纳米管（Single-WalledCarbonNanotube,SWCNT）作为原料制备碳纳米管纸，相比于普通的碳纳米管纸，其拉伸强度和模量分别提高了5.3和4.8倍。Chen等人[52]将已制备的碳纳米管纸置于浓硝酸中进行功能化后，再将其转移至10,12-二十五碳二炔-1-醇的四氢呋喃溶液中，在紫外辐照的作用下发生交联反应，使CNT间形成作用力较强的化学键，进一步提高碳纳米管纸的力学性能，其反应机理，如图1-4所示。虽然，由交联法制备的交联碳纳米管纸具有较好的力学性能，但由于交联剂多为有机物，相当于向CNT间引入了绝缘体，所以会导致碳纳米管纸的电导率大幅降低。图1-4紫外辐照条件下碳纳米管发生共轭交联的反应机理示意图[52]Fig.1-4SchematicillustrationofCNTconjugationalcross-linkingprocessduringUVirradiation[52]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Evaluation of numerical ablation model for charring composites[J]. LI Wei,ZHANG Jun,FANG GuoDong,LI WeiJie,LIANG Jun,MENG SongHe. Science China（Technological Sciences）. 2019(08)
[2]静电纺丝法制备聚酰亚胺/碳化硅复合纳米纤维[J]. 刘飞燕,任园园,曹睿,黄静,张畅,周敏,刘继延,刘学清. 化学与生物工程. 2018(11)
[3]低密度烧蚀材料研究进展[J]. 程海明,洪长青,张幸红. 哈尔滨工业大学学报. 2018(05)
[4]单向碳纤维/环氧树脂预浸料热解特性[J]. 徐艳英,杨扬,张颖,王志. 复合材料学报. 2018(09)
[5]空天飞行器用热防护陶瓷材料[J]. 陈玉峰,洪长青,胡成龙,胡平,李伶,刘家臣,刘玲,龙东辉,邱海鹏,汤素芳,张幸红,周长灵,周延春,朱时珍. 现代技术陶瓷. 2017(05)
[6]热防护用轻质烧蚀材料现状与发展[J]. 薛华飞,姚秀荣,程海明,张幸红,刘兆晶. 哈尔滨理工大学学报. 2017(01)
[7]聚酰亚胺/氧化铝复合薄膜在电晕放电下的老化过程及击穿特点[J]. 张明玉,刘立柱,翁凌,崔巍巍,田丰,王诚. 高电压技术. 2016(12)
[8]酚醛泡沫在空气中的热解特性研究[J]. 沈紫晨,黄路路,徐强. 塑料科技. 2016(04)
[9]航空器雷电附着区划分研究[J]. 滕向如,刘光斌,余志勇,赵玉龙,庄信武. 微波学报. 2014(04)
[10]复合材料层合板雷击烧蚀损伤影响因素分析[J]. 丁宁,赵彬. 材料热处理学报. 2014(02)
博士论文
[1]低介电常数聚酰亚胺/纯硅沸石杂化膜的制备[D]. 黄臻洵.华南理工大学 2013
硕士论文
[1]碳纤维复合材料雷电损伤特性研究[D]. 刘辉平.合肥工业大学 2016
[2]低密度碳/酚醛复合材料烧蚀条件下的热—化学耦合分析[D]. 许阳阳.哈尔滨工业大学 2016
[3]碳纤维复合材料雷击损伤实验研究与数值模拟[D]. 董琪.山东大学 2015
[4]石墨烯及其复合阴极的制备与场发射性能研究[D]. 颜敏.福州大学 2014
[5]碳纤维增强树脂基复合材料雷击损伤的研究[D]. 郭云力.山东大学 2014
本文编号：3347606
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
飞机遭遇雷击后的损伤情况a)天线罩及b)垂尾部分[2,5]
时间不超过500us；B电流波形代表初始回击或再触发的中间电流，其平均幅值在2kA左右，且持续时间不超过5ms，此过程中传导的电荷量在10C左右（±10%）；C波形代表长时间电流作用产生的雷电回击，此过程中传导的电荷量为200C（±20%），其电流波形的幅值为400A，持续时间在0.25~1s之间；D波形则代表随后的回击电流分量，其幅值峰值为100kA（±10%），其持续时间不超过500us。四类电流的波形参数如图1-2b)所示[5,21]。四类电流波形的组合通过冲击电流发生器施加在待测试样上，用于测试及分析雷电防护复合材料的防护性能。图1-2a)SAEARP5414标准中介绍的雷击能量区域在一架飞机上的分布[23,24]；b)SAEARP5412标准中介绍的模拟雷击测试所使用的四个电流波形[5,21]Fig.1-2a)LightningstrikingzoneareasforanaircraftaccordingtoSAEARP5414[23,24];b)FourcurrentwaveformsusedinsimulatedlightningtestsaccordingtoSAEARP5412[5,21]1.2.2复合材料的雷击损伤研究与金属材料相比，CFRP材料的导电性能相对较差，在雷击能量的作用下容易造成较为严重的损伤，会大幅降低其力学性能，严重影响飞行安全[25]。通过对飞机遭受的雷击过程进行的长期研究，科研人员发现雷击电流对飞机的影响主要包括直接影响和间接影响[26]，而对复合材料的损伤主要源自雷击电流产生的直接影响。雷电作用是一个多物理场的耦合作用，由于此过程过于复杂，现阶段在雷击前，无法准确的通过计算来预测材料的雷击损伤情况。目前对于CFRP材料雷击后的破坏现象的研究主要局限于定性描述[27]，仅能通过数值模拟及模拟雷击试验的结果以定性的研究CFRP材料的失效机理[28-30]，即雷击电流瞬间通过放电通道导入复合材料，根据焦耳定律，雷击电流产生的巨大能量
哈尔滨工业大学工学博士学位论文8孔径需在1um以下，以便于滤出溶剂及分散剂，并将CNT留在滤膜上。图1-3CNT悬浊液抽滤法制备碳纳米管纸的制备工艺流程示意图及碳纳米管纸的形貌Fig.1-3SchematicdiagramandmorphologyoftheBPpreparedviaCNTsuspensionfiltrationmethod由于CNT悬浊液抽滤法的易操作性，近年来科研人员对改进CNT悬浊液抽滤法工艺和提高此方法制备的碳纳米管纸的性能给予关注。Zhang等人[51]设计将CNT间作用较弱的范德华力转化成较强的氢键作用，从而提高碳纳米管纸的力学性能。因此，利用酸处理后的单壁碳纳米管（Single-WalledCarbonNanotube,SWCNT）作为原料制备碳纳米管纸，相比于普通的碳纳米管纸，其拉伸强度和模量分别提高了5.3和4.8倍。Chen等人[52]将已制备的碳纳米管纸置于浓硝酸中进行功能化后，再将其转移至10,12-二十五碳二炔-1-醇的四氢呋喃溶液中，在紫外辐照的作用下发生交联反应，使CNT间形成作用力较强的化学键，进一步提高碳纳米管纸的力学性能，其反应机理，如图1-4所示。虽然，由交联法制备的交联碳纳米管纸具有较好的力学性能，但由于交联剂多为有机物，相当于向CNT间引入了绝缘体，所以会导致碳纳米管纸的电导率大幅降低。图1-4紫外辐照条件下碳纳米管发生共轭交联的反应机理示意图[52]Fig.1-4SchematicillustrationofCNTconjugationalcross-linkingprocessduringUVirradiation[52]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Evaluation of numerical ablation model for charring composites[J]. LI Wei,ZHANG Jun,FANG GuoDong,LI WeiJie,LIANG Jun,MENG SongHe. Science China（Technological Sciences）. 2019(08)
[2]静电纺丝法制备聚酰亚胺/碳化硅复合纳米纤维[J]. 刘飞燕,任园园,曹睿,黄静,张畅,周敏,刘继延,刘学清. 化学与生物工程. 2018(11)
[3]低密度烧蚀材料研究进展[J]. 程海明,洪长青,张幸红. 哈尔滨工业大学学报. 2018(05)
[4]单向碳纤维/环氧树脂预浸料热解特性[J]. 徐艳英,杨扬,张颖,王志. 复合材料学报. 2018(09)
[5]空天飞行器用热防护陶瓷材料[J]. 陈玉峰,洪长青,胡成龙,胡平,李伶,刘家臣,刘玲,龙东辉,邱海鹏,汤素芳,张幸红,周长灵,周延春,朱时珍. 现代技术陶瓷. 2017(05)
[6]热防护用轻质烧蚀材料现状与发展[J]. 薛华飞,姚秀荣,程海明,张幸红,刘兆晶. 哈尔滨理工大学学报. 2017(01)
[7]聚酰亚胺/氧化铝复合薄膜在电晕放电下的老化过程及击穿特点[J]. 张明玉,刘立柱,翁凌,崔巍巍,田丰,王诚. 高电压技术. 2016(12)
[8]酚醛泡沫在空气中的热解特性研究[J]. 沈紫晨,黄路路,徐强. 塑料科技. 2016(04)
[9]航空器雷电附着区划分研究[J]. 滕向如,刘光斌,余志勇,赵玉龙,庄信武. 微波学报. 2014(04)
[10]复合材料层合板雷击烧蚀损伤影响因素分析[J]. 丁宁,赵彬. 材料热处理学报. 2014(02)
博士论文
[1]低介电常数聚酰亚胺/纯硅沸石杂化膜的制备[D]. 黄臻洵.华南理工大学 2013
硕士论文
[1]碳纤维复合材料雷电损伤特性研究[D]. 刘辉平.合肥工业大学 2016
[2]低密度碳/酚醛复合材料烧蚀条件下的热—化学耦合分析[D]. 许阳阳.哈尔滨工业大学 2016
[3]碳纤维复合材料雷击损伤实验研究与数值模拟[D]. 董琪.山东大学 2015
[4]石墨烯及其复合阴极的制备与场发射性能研究[D]. 颜敏.福州大学 2014
[5]碳纤维增强树脂基复合材料雷击损伤的研究[D]. 郭云力.山东大学 2014
本文编号：3347606
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