电化学沉积制备新型石墨烯材料及其性能研究
发布时间：2021-08-18 03:26
民机作为我国重要的交通运输工具,其结构及设备的安全性、可靠性一直以来是民航工程关注的重点。现代民机结构中大量使用了导电性低于传统金属材料的玻璃纤维树脂基复合材料,当飞机结构表面或者设备表面积聚静电且不能有效的释放时,产生的放电效应会不同程度地对气动外形、通讯信号等造成破坏和干扰,对航空运行安全形成严重威胁。针对复合材料结构飞机静电释放问题,导电漆层作为传递电荷的关键环节起到了重要作用,本研究利用简单、可控、环保的电化学沉积方法将石墨烯与碳纳米管结合形成导电填料,并以此对环氧底漆直接改性制备航空抗静电涂料。表征了填料的形貌、物相、分散性并探索了最优制备工艺参数,又对石墨烯/碳纳米管/环氧树脂复合涂层进行了表征与性能研究,揭示了其热稳定性、导电性与添加量、厚度的关系。在此基础上对复合涂层进行了静电特性的实验,探索了静电积聚、消散及闪络特性与添加量、厚度、时间、电压等因素的关系,得出了工程数据和分析结果。主要研究内容及结论如下:先以泡沫镍（Ni Foam,NF）为基底,利用浸渍的方法使泡沫镍包覆一层碳纳米管获得碳纳米管/泡沫镍（CNTs/NF）复合电极,再通过电化学沉积的方法在复合电极表面沉...
【文章来源】：中国民用航空飞行学院四川省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞机静电的消除方法：(a)安装在尾翼的放电刷；(b)机翼的静电防护搭接[3]；(b)波音737NG系列飞机雷达罩喷涂的导电漆[4]
3前先涂一层导电漆来消除静电积聚，如雷达罩的导电漆层，而直接通过对环氧底漆改性来消除静电的研究鲜有报道，受此启发本文拟通过对环氧树脂进行改性研究。图1.2飞机复合材料表面涂层系统方案表1.1我国常见的飞机复合材料表面涂层系统应用范围表面处理层底漆层面漆层一般复合材料表面打磨、清洗、环氧聚酰胺清漆锶黄环氧聚酰胺底漆丙烯酸聚氨酯面漆飞机迎风面弹性聚氨酯磁漆丙烯酸聚氨酯磁漆1.2.2导电涂料的标准导电涂料的应用、研制和开发兴起于二十世纪50年代。导电涂料在飞机上的应用十分广泛，尤其是在复合材料飞机表面，如雷达罩蜂窝结构表面常由于静电积聚产生的静电场干扰电磁波，或由于静电吸附的水膜降低雷达信号透波率，需喷涂一层导电漆；机翼、尾翼表面的导电涂层有助于电荷顺利移动到放电刷后泄放掉；油箱外壁要求的防腐导电涂料等，表1.2根据空客A320飞机的AMM手册列举了导电漆在该机型中的应用。航空涂料在应用之前要经过民航局适航审定，各项要求达标后方可投入使用,一般采用飞机制造商自己的适航要求，如波音和空客公司对飞机蒙皮涂料有不同的适航要求。对于航空涂料检测标准，国际上也不尽相同，波音倾向于美国某些协会制定的标准，而空客倾向于ISO标准。我国标准体系的建立日趋完善，主要由国际标准为基础转化而来，如国军标（GJB）、航空标准（HB）、涂料企业标准等。对于航空
5屏蔽涂料等，如聚苯硫醚、聚吡咯及聚苯胺等高分子导电聚合物[10]。张国标等[11]以十六烷基三甲基溴化铵为软模版，制备了纤丝状导电聚吡咯（C-PPy），其电导率可达2.67S/cm，比颗粒状PPy导电性能高出了近270倍。He等[12]采用原位聚合法将聚苯胺（PANI）的导电性与木材的力学性能有机结合，复合物的电磁屏蔽效能在30～60dB之间，符合普通工业和商业电子设备的标准。但本征型导电涂料的研制与开发相对较晚，由于制备工艺要求高，用于商业化的产品不多，各方面研究还在探索阶段。相比之下，填充型导电涂料的发展较为成熟、工业水平较高。通常以金属、金属氧化物、碳系颗粒为填料填充树脂基体形成复合材料，其兼具两相材料的优点，由于其工艺简单、用量少、选材广泛、成本较低等特点而广泛为企业所采用。该类导电涂料的导电机理可用经典的导电通道理论[13-14]解释为：电子可沿着相互接触的粒子进行传递而使体系导电，当导电颗粒达到一定添加量（渗滤阈值）时，可在基体内部形成导电网络，体系电导率会急剧增长，此后随着添加量的增加趋于平缓。并有当颗粒的尺度越小且分散性越好时，颗粒与颗粒之间接触的几率就越大，渗滤阈值越低，导电性就越好，因此填充型导电涂料相关研究主要集中在导电颗粒的分散性方面。图1.3展示了导电网络形成的过程和填充型聚合物电导率的典型曲线。图1.3(a)导电填料在聚合物中形成导电网络的示意图；(b)碳纳米管电磁屏蔽复合材料的电导率σ与碳纳米管加载量p的关系[15]（1）金属填料。常用的金属填料有金、银、铜、镍等，金、银虽导电性好但价格昂贵限制了其应用，铜、镍导电性良好且成本低廉，但易氧化、纳米颗粒易团聚等问
【参考文献】：
期刊论文
[1]混酸功能化碳纳米管掺杂对环氧树脂导电和导热性能的影响[J]. 王闯,赵朗,贾静,王德意,彭宗仁. 电工技术学报. 2019(S2)
[2]表面粗糙度对聚合物材料真空沿面闪络特性的影响[J]. 胡多,任成燕,孔飞,严萍,邵涛. 电工技术学报. 2019(16)
[3]阳极材料对苯酚电化学降解效果的影响[J]. 周海涛,韦鹏鹏,王营茹. 武汉工程大学学报. 2019(03)
[4]石墨烯/碳纳米管复合纳米材料改性导电涂料的性能[J]. 姜雄峰,朱志平,周艺,石纯. 材料保护. 2019(06)
[5]固体绝缘材料表面电荷特性的研究进展[J]. 高宇,王明行,赵宁,李子逸,杜伯学. 高电压技术. 2018(08)
[6]不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析[J]. 谢庆,梁少栋,阴凯,赵映宇,黄河,律方成. 高电压技术. 2018(06)
[7]环氧树脂非线性电导复合材料表面电荷与沿面闪络特性研究[J]. 李昂,张苗苗. 绝缘材料. 2018(06)
[8]特高压GIS盆式绝缘子沿面闪络特性研究综述[J]. 孙秋芹,罗宸江,汪沨,陈赦,陈杰,周志成,王丽峰. 高压电器. 2018(05)
[9]BMS10-21Ⅳ型导电漆喷涂工艺优化研究[J]. 黄锋,刘燕涛,代川川. 航空维修与工程. 2018(03)
[10]表层氟化环氧树脂的直流闪络特性[J]. 王飞鹏,张涛,李剑,何理,黄正勇,王开正. 高电压技术. 2018(02)
博士论文
[1]直流电压下聚四氟乙烯表面电荷的聚散及其对闪络特性的影响[D]. 王邸博.重庆大学 2015
硕士论文
[1]飞机沉积静电电荷分布的研究和应用[D]. 罗强.西安石油大学 2018
[2]氧化石墨烯/碳纳米管组装及其复合材料性能[D]. 刘永娜.沈阳航空航天大学 2018
[3]石墨烯/碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D]. 司小奂.西安理工大学 2017
[4]电化学法制备石墨烯复合材料及其储能特性研究[D]. 彭田军.电子科技大学 2016
[5]石墨烯基超级电容器电极的制备及其性能[D]. 夏富军.中国石油大学(华东) 2015
[6]碳纳米管/石墨烯杂化材料的制备与研究[D]. 郏余晨.江南大学 2013
[7]水性环氧用非离子型活性乳化剂的制备与性能研究[D]. 张鑫.武汉理工大学 2011
[8]自由基加成反应在碳纳米管和石墨烯修饰中的应用[D]. 曾静.兰州大学 2011
[9]高速钢刀具电解强化电源的研究[D]. 周晓艳.太原科技大学 2009
[10]石墨烯、石墨烯/碳纳米管的制备及其超级电容器性能研究[D]. 葛士彬.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3349093
【文章来源】：中国民用航空飞行学院四川省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞机静电的消除方法：(a)安装在尾翼的放电刷；(b)机翼的静电防护搭接[3]；(b)波音737NG系列飞机雷达罩喷涂的导电漆[4]
3前先涂一层导电漆来消除静电积聚，如雷达罩的导电漆层，而直接通过对环氧底漆改性来消除静电的研究鲜有报道，受此启发本文拟通过对环氧树脂进行改性研究。图1.2飞机复合材料表面涂层系统方案表1.1我国常见的飞机复合材料表面涂层系统应用范围表面处理层底漆层面漆层一般复合材料表面打磨、清洗、环氧聚酰胺清漆锶黄环氧聚酰胺底漆丙烯酸聚氨酯面漆飞机迎风面弹性聚氨酯磁漆丙烯酸聚氨酯磁漆1.2.2导电涂料的标准导电涂料的应用、研制和开发兴起于二十世纪50年代。导电涂料在飞机上的应用十分广泛，尤其是在复合材料飞机表面，如雷达罩蜂窝结构表面常由于静电积聚产生的静电场干扰电磁波，或由于静电吸附的水膜降低雷达信号透波率，需喷涂一层导电漆；机翼、尾翼表面的导电涂层有助于电荷顺利移动到放电刷后泄放掉；油箱外壁要求的防腐导电涂料等，表1.2根据空客A320飞机的AMM手册列举了导电漆在该机型中的应用。航空涂料在应用之前要经过民航局适航审定，各项要求达标后方可投入使用,一般采用飞机制造商自己的适航要求，如波音和空客公司对飞机蒙皮涂料有不同的适航要求。对于航空涂料检测标准，国际上也不尽相同，波音倾向于美国某些协会制定的标准，而空客倾向于ISO标准。我国标准体系的建立日趋完善，主要由国际标准为基础转化而来，如国军标（GJB）、航空标准（HB）、涂料企业标准等。对于航空
5屏蔽涂料等，如聚苯硫醚、聚吡咯及聚苯胺等高分子导电聚合物[10]。张国标等[11]以十六烷基三甲基溴化铵为软模版，制备了纤丝状导电聚吡咯（C-PPy），其电导率可达2.67S/cm，比颗粒状PPy导电性能高出了近270倍。He等[12]采用原位聚合法将聚苯胺（PANI）的导电性与木材的力学性能有机结合，复合物的电磁屏蔽效能在30～60dB之间，符合普通工业和商业电子设备的标准。但本征型导电涂料的研制与开发相对较晚，由于制备工艺要求高，用于商业化的产品不多，各方面研究还在探索阶段。相比之下，填充型导电涂料的发展较为成熟、工业水平较高。通常以金属、金属氧化物、碳系颗粒为填料填充树脂基体形成复合材料，其兼具两相材料的优点，由于其工艺简单、用量少、选材广泛、成本较低等特点而广泛为企业所采用。该类导电涂料的导电机理可用经典的导电通道理论[13-14]解释为：电子可沿着相互接触的粒子进行传递而使体系导电，当导电颗粒达到一定添加量（渗滤阈值）时，可在基体内部形成导电网络，体系电导率会急剧增长，此后随着添加量的增加趋于平缓。并有当颗粒的尺度越小且分散性越好时，颗粒与颗粒之间接触的几率就越大，渗滤阈值越低，导电性就越好，因此填充型导电涂料相关研究主要集中在导电颗粒的分散性方面。图1.3展示了导电网络形成的过程和填充型聚合物电导率的典型曲线。图1.3(a)导电填料在聚合物中形成导电网络的示意图；(b)碳纳米管电磁屏蔽复合材料的电导率σ与碳纳米管加载量p的关系[15]（1）金属填料。常用的金属填料有金、银、铜、镍等，金、银虽导电性好但价格昂贵限制了其应用，铜、镍导电性良好且成本低廉，但易氧化、纳米颗粒易团聚等问
【参考文献】：
期刊论文
[1]混酸功能化碳纳米管掺杂对环氧树脂导电和导热性能的影响[J]. 王闯,赵朗,贾静,王德意,彭宗仁. 电工技术学报. 2019(S2)
[2]表面粗糙度对聚合物材料真空沿面闪络特性的影响[J]. 胡多,任成燕,孔飞,严萍,邵涛. 电工技术学报. 2019(16)
[3]阳极材料对苯酚电化学降解效果的影响[J]. 周海涛,韦鹏鹏,王营茹. 武汉工程大学学报. 2019(03)
[4]石墨烯/碳纳米管复合纳米材料改性导电涂料的性能[J]. 姜雄峰,朱志平,周艺,石纯. 材料保护. 2019(06)
[5]固体绝缘材料表面电荷特性的研究进展[J]. 高宇,王明行,赵宁,李子逸,杜伯学. 高电压技术. 2018(08)
[6]不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析[J]. 谢庆,梁少栋,阴凯,赵映宇,黄河,律方成. 高电压技术. 2018(06)
[7]环氧树脂非线性电导复合材料表面电荷与沿面闪络特性研究[J]. 李昂,张苗苗. 绝缘材料. 2018(06)
[8]特高压GIS盆式绝缘子沿面闪络特性研究综述[J]. 孙秋芹,罗宸江,汪沨,陈赦,陈杰,周志成,王丽峰. 高压电器. 2018(05)
[9]BMS10-21Ⅳ型导电漆喷涂工艺优化研究[J]. 黄锋,刘燕涛,代川川. 航空维修与工程. 2018(03)
[10]表层氟化环氧树脂的直流闪络特性[J]. 王飞鹏,张涛,李剑,何理,黄正勇,王开正. 高电压技术. 2018(02)
博士论文
[1]直流电压下聚四氟乙烯表面电荷的聚散及其对闪络特性的影响[D]. 王邸博.重庆大学 2015
硕士论文
[1]飞机沉积静电电荷分布的研究和应用[D]. 罗强.西安石油大学 2018
[2]氧化石墨烯/碳纳米管组装及其复合材料性能[D]. 刘永娜.沈阳航空航天大学 2018
[3]石墨烯/碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D]. 司小奂.西安理工大学 2017
[4]电化学法制备石墨烯复合材料及其储能特性研究[D]. 彭田军.电子科技大学 2016
[5]石墨烯基超级电容器电极的制备及其性能[D]. 夏富军.中国石油大学(华东) 2015
[6]碳纳米管/石墨烯杂化材料的制备与研究[D]. 郏余晨.江南大学 2013
[7]水性环氧用非离子型活性乳化剂的制备与性能研究[D]. 张鑫.武汉理工大学 2011
[8]自由基加成反应在碳纳米管和石墨烯修饰中的应用[D]. 曾静.兰州大学 2011
[9]高速钢刀具电解强化电源的研究[D]. 周晓艳.太原科技大学 2009
[10]石墨烯、石墨烯/碳纳米管的制备及其超级电容器性能研究[D]. 葛士彬.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3349093
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