碳纤维表面生长碳纳米管及其结构性能研究

发布时间：2017-11-02 01:06

  本文关键词：碳纤维表面生长碳纳米管及其结构性能研究

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【摘要】：碳纤维和碳纳米管(CNT)都是复合材料有效的增强体,将两者有效的结合,改善纤维与基体的界面性能,形成复合增强体,从而充分发挥碳纤维性能,同时可利用CNT的优异力学、电学、热学等特殊性能。然而,较高长径比的纳米碳管具有很高的表面能,在基体中非常容易发生缠结、团聚,分散性较差；目前的在碳纤维表面生长碳纳米管的制备方法,虽然能解决CNT团聚等弊端,但是存在碳纳米管与纤维表面的结合力较弱,容易从碳纤维表面脱落的问题,实际应用效果不理想,这些严重阻碍了它们在复合材料领域中的应用。本文结合已有的利用固相碳源制备碳纳米管的基础,对碳纤维表面进行适当的处理,在助催化剂噻吩和水汽的作用下,在碳纤维表面牢固垂直生长碳纳米管成为一条可行的途径。通过强酸处理碳纤维表面,纤维表面负载催化剂,在助催化剂噻吩和水汽的作用下,在一定温度下在碳纤维表面牢固生长碳纳米管,借助SEM、TEM、XRD、Raman、FT-IR等测试手段研究碳纤维和碳管的形貌结构,观测纤维表面生长的碳纳米管直径为20～150nm,长度可达几微米。本实验通过控制变量,较为系统地研究了酸处理、催化剂、反应温度、反应时间以及水汽和噻吩通入量等因素对碳纤维表面牢固生长碳纳米管的影响,从而获得最佳实验条件：碳纤维酸处理时间为1～2h,催化剂浓度为1～1.5mol/L,反应温度为850℃,反应保温时间2-3h,氮气经过噻吩的流量为40～60ml/min,经过水的流量为100～120m1/L,最终在碳纤维生长出致密的、形貌较好的碳管。根据所得的实验结果,推测出本实验碳纤维表面生长碳纳米管机理,主要过程：首先混酸处理后的碳纤维表面带入大量含氧官能团以及大量活性高的碳原子,负载上催化剂。在反应升温的过程中通催化剂被还原。随着温度升高,催化剂吸附硫原子降低熔点,形成熔融状态,同时刻蚀纤维不断渗入纤维表层,吸收溶解纤维表面活性较高的碳原子,以及其他的碳源,最终形成过饱和的碳-金属熔融颗粒,在其表面析出按石墨层排列的碳原子,生长成碳纳米管。本实验制备的CNT/CF单丝拉伸强度为2.4-2.7GPa,保持原始纤维的67%～73%,电阻率约5.7×10-3～7.3×10-3Ω.cm,为原始碳纤维的2.75～3.5倍,且碳管越长,电阻率减小。石墨化后的长管碳纤维电阻率大幅度降低,约为原始碳纤维的50%。连续化生长碳纳米管的碳纤维的单丝拉伸强度比原始碳纤维只降低14.6%,电阻率只增加了11.5%左右。长管碳纤维能够有效提高其树脂基复合材料(CFRP)的性能,其层间剪切强度提高10.15%,而层间电阻率只有原始碳纤维树脂基复合材料的7.96%。
【关键词】：碳纤维 碳纳米管 形成机理 单丝拉伸强度 电阻率
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第一章 绪论17-37
• 1.1 前言17-18
• 1.2 碳纤维的概况18-20
• 1.2.1 碳纤维的结构18-19
• 1.2.2 碳纤维表面改性方法19-20
• 1.3 碳纳米管的研究现状20-32
• 1.3.1 碳纳米管的结构及分类21-22
• 1.3.2 碳纳米管的性能及应用22-24
• 1.3.2.1 力学性能22
• 1.3.2.2 导电性能22-23
• 1.3.2.3 热学性能23
• 1.3.2.4 光学性能23
• 1.3.2.5 催化剂载体23
• 1.3.2.6 储氢材料23-24
• 1.3.2.7 其他用途24
• 1.3.3 碳纳米管的制备方法24-27
• 1.3.3.1 电弧放电法24-25
• 1.3.3.2 化学气相沉积法25-26
• 1.3.3.3 激光烧蚀法26-27
• 1.3.3.4 其他方法27
• 1.3.4 碳纳米管的生长机理27-30
• 1.3.5 促进碳纳米管生长的因素30-32
• 1.3.5.1 催化剂因素30-31
• 1.3.5.2 硫因素31
• 1.3.5.3 水气因素31-32
• 1.4 碳纤维表面生长碳纳米管的研究现状32-35
• 1.4.1 CNT/CF的制备方法33-35
• 1.4.1.1 化学气相沉积法(CVD)33-34
• 1.4.1.2 化学接枝法34
• 1.4.1.3 电泳沉积法34-35
• 1.4.2 碳纳米管/碳纤维增强树脂基复合材料35
• 1.5 本实验的提出及其创新点35-37
• 第二章 实验部分37-45
• 2.1 实验所用药品及主要设备仪器37-38
• 2.1.1 实验所用药品37-38
• 2.1.2 实验主要仪器设备38
• 2.2 实验的研究内容及技术方案38-41
• 2.2.1 实验的研究内容38-39
• 2.2.2 实验技术方案39-41
• 2.3 分析测试和表征手段41-45
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)41-42
• 2.3.2 透射电子显微镜(TEM)42
• 2.3.3 X射线衍射仪(XRD)42
• 2.3.4 傅里叶红外光谱仪(FT-IR)42
• 2.3.5 热重分析仪(TG-DSC)42
• 2.3.6 拉曼光谱仪(Ranman Spectra)42-43
• 2.3.7 单纤维拉伸强度测试43
• 2.3.8 导电性能测试43
• 2.3.9 碳纳米管与纤维基体间的结合力43
• 2.3.10 层间剪切强度(ILSS)测试43-45
• 第三章 影响碳纳米管生长的因素45-59
• 3.1 碳纤维表面酸处理对碳纳米管生长的影响45-49
• 3.1.1 不同的酸处理45-46
• 3.1.2 酸处理时间46-49
• 3.2 催化剂对碳纤维表面生长碳纳米管的影响49-51
• 3.2.1 催化剂浓度的影响49-51
• 3.3 炭化反应温度对碳纤维生长碳纳米管的影响51-54
• 3.3.1 升温速率51-52
• 3.3.2 炭化反应温度52-54
• 3.4 炭化反应恒温时间对碳纤维生长碳纳米管的影响54-56
• 3.5 噻吩的影响56-57
• 3.6 水蒸气的影响57-58
• 3.7 小结58-59
• 第四章 碳纤维表面牢固生长碳纳米的机理59-69
• 4.1 CNT/CF元素组成及晶型分析59-61
• 4.2 碳纳米管的结构特征61-64
• 4.3 碳纳米管的生长机理64-68
• 4.4 小结68-69
• 第五章 碳纳米管/碳纤维性能的研究69-91
• 5.1 热学性能69-70
• 5.2 拉曼表征70-72
• 5.3 力学性能72-82
• 5.3.1 单丝拉伸强度72-78
• 5.3.1.1 酸处理对纤维力学性能的影响73-74
• 5.3.1.2 不同催化剂浓度对纤维力学性能的影响74-75
• 5.3.1.3 反应温度对纤维力学性能的影响75-76
• 5.3.1.4 保温时间对纤维力学性能的影响76-77
• 5.3.1.5 石墨化对纤维力学性能的影响77-78
• 5.3.2 碳纳米管与碳纤维表面的结合力表征78-79
• 5.3.3 碳纤维增强树脂基复合材料层间剪切强度79-82
• 5.4 电学性能82-85
• 5.4.1 单丝电阻率82-83
• 5.4.1.1 长管碳纤维的电阻率82-83
• 5.4.1.2 石墨化CNT/CF的电阻83
• 5.4.2 碳纤维增强树脂复合材料的层间电阻率83-85
• 5.5 碳纤维表面连续化生长碳纳米管85-88
• 5.5.1 碳纤维表面连续化生长碳管纤维的单丝拉伸强度87-88
• 5.5.2 碳纤维表面连续生长碳纳米管纤维的电阻率88
• 5.6 小结88-91
• 第六章 总结91-93
• 参考文献93-99
• 致谢99-101
• 研究成果及发表的学术论文101-103
• 作者和导师简介103-104
• 附件104-105

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