碳纤维/碳布表面生长碳纳米管及其复合材料的研究

摘要

本文采用电化学阳极氧化法对碳纤维表面处理，在碳纤维和碳布表面化学气相沉积(CVD)碳纳米管(CNTs)，探索了电化学处理工艺对催化剂加载及碳纤维复丝力学性能的影响，明确了CVD工艺对CNTs/碳纤维增强体的作用机制，实现了碳布表面CNTs的均匀生长。利用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱仪、高分辨透射电镜(HRTEM)、强伸度仪、万能试验机、热分析仪、LCR测试仪等测试分析仪器，对碳纤维/碳布及其复合材料进行了性能表征。
　　电化学阳极氧化处理能够有效活化碳纤维表面，随着电流强度的增加，石墨微晶的氧化刻蚀程度不断增加，碳纤维表面的凹槽逐渐明显。碳纤维表面的催化剂颗粒数量和粒径也随着电流强度的提高而增加，磷酸二氢铵作为电解质且电解电流为0.4A时，经过电解处理后的碳纤维表面能够加载颗粒大小均一的催化剂纳米颗粒，催化加载的CNTs形貌和均匀性最好。随着电化学处理强度逐渐增大，生长的CNTs长度也逐渐增加，催化剂和CNTs的分布更加均匀。经电化学处理后，碳纤维复丝性能的整体降低幅度较小，说明电化学阳极氧化法对碳纤维的损伤程度较小。
　　通过探索CVD工艺对CNTs/碳纤维增强体的影响，结果表明:采用Co和Ni均可以催化加载出分布均匀的CNTs，与Co相比，Ni的催化活性更高，催化生长的CNTs产率更高，且CNTs的长度和直径都有所增加。在碳纤维表面催化生长CNTs之后，碳纤维的单丝拉伸强度均得到了提升，由Ni催化制备的CNTs/碳纤维增强体的拉伸强度提升幅度更大，与未处理碳纤维相比提高了6.98％。CVD温度对CNTs的生长也存在较大影响，CNTs的长度、密度随着CVD温度的升高而增加，但是在温度过高的情况下，催化剂会严重刻蚀纤维表面，损伤其力学性能，因此制备CNTs的CVD温度不宜过高。其中CVD温度为600℃时，CNTs/碳纤维增强体的单丝性能最好。CVD气氛对CNTs的形貌及加载量也有显著影响，当C2H2∶H2∶N2为3∶3∶6及6∶6∶12时，能够加载出均匀的CNTs。在C2H2∶H2∶N2为6∶6∶12的条件下，CNTs/碳纤维增强体的拉伸强度最高为4.93GPa，复合材料的介电常数提高，层间剪切强度(ILSS)也得到提升。
　　通过研究CVD工艺对碳布表面CNTs产量和形貌的影响，实现了碳布表面CNTs的均匀加载，得出了以下结论:Fe的催化活性较低，碳布表面产物加载较少，多数产物为碳纳米纤维，且直径分布不均匀;0.05M的Co作催化剂时，碳布表面均匀加载了管径较细且分布较窄的CNTs;Ni催化生长出的是CNTs和碳纳米纤维的混合产物，且由于Ni催化剂的催化活性很高，碳纳米产物长达1-2微米。在600℃的CVD温度下，CVD时间对碳布表面生长CNTs的形貌及碳布增强复合材料的性能也有着十分显著的影响，当CVD时间为5min时，碳布表面能够获得均匀的CNTs;CVD时间为10min时，CNTs的产量和长度进一步增加，且管径也有所增加，碳布增强复合材料的ILSS达到最高值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 碳纤维复合材料的发展现状

1．3 CNTs／碳纤维增强复合材料

1．3．1 CNTs／碳纤维增强复合材料的增强机理

1．3．2 CNTs／碳纤维增强体的制备方法

1．3．3 CNTs／碳纤维增强复合材料研究现状

1．4 存在的问题

1．5 本文的研究意义和研究内容

第二章 实验材料及实验方法

2．1 研究方法

2．2 实验材料及实验设备

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验设备

2．3 碳纤维／碳布表面生长CNTs的方法

2．3．1 碳纤维表面生长CNTs的方法

2．3．2 碳布表面生长CNTs的方法

2．4 测试及表征方法

2．4．1 碳纤维／碳布表面形貌的SEM表征

2．4．2 碳纤维／碳布表面CNTs的拉曼光谱

2．4．3 碳纤维／碳布的单丝拉伸强度

2．4．4 碳纤维／碳布与环氧树脂的润湿性测试

2．4．5 碳纤维／碳布的HRTEM表征

2．4．7 碳纤维／碳布增强复合材料的ILSS表征

2．4．8 碳纤维增强复合材料的电学性能表征

第三章 电化学处理对碳纤维上加载催化剂及CNTs的影响

3．1 前言

3．2 碳纤维的电化学处理及CNTs／碳纤维增强体的制备

3．2．1 电化学处理改性原理

3．2．2 不同条件下的电化学处理工艺

3．2．3 CNTs／碳纤维增强体的制备

3．2．4 CNTs／碳纤维增强体的复丝性能测试

3．3 电化学处理工艺对碳纤维表面性能的影响

3．3．1 电解质种类对碳纤维表面形貌的影响

3．3．2 阳极氧化电流强度对碳纤维表面形貌的影响

3．3．3 电化学处理工艺对纤维表面石墨微晶结构的影响

3．4 电化学处理工艺对碳纤维表面加载催化剂的影响

3．5 电化学处理工艺对碳纤维表面加载CNTs的影响

3．6 电化学处理工艺对碳纤维性能的影响

3．6．1 电化学处理工艺对碳纤维复丝线密度的影响

3．6．2 电化学处理工艺对复丝拉伸强度的影响

3．7 本章小结

第四章 CVD工艺对碳纤维表面加载CNTs及其复合材料的影响

4．1 前言

4．2 碳纤维表面加载CNTs及其复合材料的制备

4．2．1 不同催化剂种类下碳纤维表面CNTs的制备

4．2．2 不同CVD温度下碳纤维表面CNTs的制备

4．2．3 不同CVD气氛比例条件下碳纤维表面CNTs的制备

4．2．4 CNTs／碳纤维增强复合材料的制备

4．3 催化剂种类对碳纤维表面CNTs的影响

4．3．1 催化剂种类对碳纤维表面生长CNTs形貌及加载量的影响

4．3．2 催化剂种类对CNTs／碳纤维增强体拉伸强度的影响

4．3．3 催化剂种类对CNTs／碳纤维增强体润湿性能的影响

4．4 CVD温度对碳纤维表面CNTs的影响

4．4．1 CVD温度对碳纤维表面生长CNTs形貌及加载量的影响

4．4．2 CVD温度对碳纤维表面生长CNTs石墨化程度的影响

4．4．3 CVD温度对CNTs／碳纤维增强体拉伸强度的影响

4．4．4 CVD温度对CNTs／碳纤维增强体润湿性能的影响

4．5 CVD气氛对碳纤维表面生长CNTs的影响

4．5．1 CVD气氛对碳纤维表面生长CNTs形貌及加载量的影响

4．5．2 CVD气氛对碳纤维表面生长CNTs石墨化程度的影响

4．5．3 CVD气氛对CNTs／碳纤维增强体拉伸强度的影响

4．5．4 CVD气氛对CNTs／碳纤维增强体热稳定性的影响

4．5．5 CVD气氛对CNTs微观结构的影响

4．6 CNTs／碳纤维增强复合材料的性能

4．6．1 CNTs／碳纤维增强复合材料的ILSS

4．6．2 CNTs／碳纤维增强复合材料的界面形貌

4．6．3 CNTs／碳纤维增强复合材料的介电性能

4．7 本章小结

第五章 CVD工艺对碳布表面加载CNTs及其复合材料的影响

5．1 前言

5．2 碳布表面加载CNTs及其复合材料的制备

5．2．1 不同种类和浓度催化剂条件下碳布表面CNTs的制备

5．2．2 不同CVD时间条件下碳布表面CNTs的制备

5．2．3 CNTs／碳布增强复合材料的制备

5．3 碳布表面均匀加载CNTs的设备改进

5．4 催化剂种类及浓度对碳布表面CNTs的影响

5．4．1 催化剂种类及浓度对碳布表面生长CNTs形貌的影响

5．4．2 催化剂种类及浓度对CNTs／碳布增强体拉伸强度的影响

5．4．3 催化剂种类对碳布表面生长CNTs微观结构的影响

5．5 CVD时间对碳布表面CNTs的影响

5．5．1 CVD时间对碳布表面生长CNTs形貌的影响

5．5．2 CVD时间对CNTs／碳布增强体拉伸强度的影响

5．5．3 CVD时间对CNTs／碳布增强复合材料层间剪切性能的影响

5．5．4 CNTs／碳布增强复合材料的界面形貌

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文

参与的科研项目