碳纤维复合导电纸的制备与应用

摘要

碳纤维复合纸是使用短切碳纤维与植物纤维通过湿法抄造工艺制备的具有特殊性能的功能纸。碳纤维具有良好的导电性，通过调节碳纤维纸中短切碳纤维的含量可制得具有不同电阻率的导电功能纸。此外，碳纤维复合导电纸还具有轻薄柔软、机械性能好、导热、电热性能优异的特点。因此，碳纤维复合导电纸作为一种高性能的多功能材料具有广阔的发展前景，在电热、电磁屏蔽等领域都已经得到了实际应用。随着应用领域的不断拓展，碳纤维复合导电纸的研究和开发在国防军工和民用领域都占有重要地位。
　　碳纤维复合导电纸作为一种应用前景广阔的功能纸，虽然已有一些公司通过采用湿法抄纸的方法对其实现了小规模商品化，但其生产和制备过程中仍存在如下主要问题有待解决：
　　(1)采用现有湿法抄纸工艺容易造成碳纤维在纸张中分布不均匀，所制备的碳纤维复合导电纸导电性能稳定性较差；
　　(2)现有湿法抄纸工艺所制得的碳纤维复合导电纸存在电阻率“漂移”现象，其导电性能会发生明显的波动行为；
　　(3)对于处于导电阈值附近的低碳纤维含量的复合导电纸，如何实现其电阻率的可控化和稳定化仍是亟需解决的问题；
　　(4)在碳纤维复合导电纸中，碳纤维在基体纤维网络中相互搭接形成导电网络，对于这类纤维非连续相基体导电复合材料的导电行为和机理还缺乏相关科学研究。
　　针对以上问题，本论文通过对碳纤维分散剂的筛选和分散工艺的研究得出了碳纤维的最佳分散工艺；通过加入热熔纤维对碳纤维复合导电纸进行稳定化改性，以改善复合导电纸的电阻率“漂移”问题，并对改性前后的复合导电纸的结构、力学性能、导电性能进行了测试表征；在此基础上研究了碳纤维复合导电纸的导电规律并对其导电渗流行为进行了理论模拟和研究；此外还基于改性后的碳纤维复合导电纸，制备了相关的电加热元器件，研究了碳纤维复合导电纸的电热性能并对其实用性进行了验证。通过以上研究工作，可以得到如下主要结论：
　　(1)以APAM作为分散剂可制备得到分散性和稳定性良好的碳纤维水相分散液，能够满足抄纸工艺需求，制备得到碳纤维分布均匀的碳纤维复合导电纸。
　　(2)碳纤维复合导电纸电阻率“漂移”现象的产生是由于纸张中植物纤维在吸水和脱水的过程中，引起了碳纤维导电网络的结构变化。采用“母版”法制备工艺，通过在基体中加入热熔纤维对碳纤维复合导电纸进行稳定化改性，能显著改善复合导电纸的电阻率“漂移”现象，提高复合导电纸的导电稳定性。
　　(3)碳纤维复合导电纸的拉伸性能与碳纤维的含量与基体中热熔纤维的含量有关，经热熔纤维稳定化改性后，碳纤维复合导电纸的最高断裂强度由5MPa提高至9MPa。
　　(4)纤维非连续相基体导电复合纸服从导电渗流行为，能够通过K-Z模型和FC模型进行有效模拟；模拟结果说明，在FC模型中，dc/d是一个变量而不是一个常量，参数dc不仅仅与纤维直径d有关，还与纤维搭接接触压等其他因素有关。
　　(5)对 CF/ES复合导电纸电热性能的研究结果表明，CF/ES复合导电纸是一种性能优异的电热材料；通过 CF/ES复合导电纸电热元件的除冰实验和基于 CF/ES复合导电纸的电热鼠标垫的制备，证明了CF/ES复合导电纸具有优良的电加热实用价值和良好的应用前景。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 碳纤维纸的结构

1.3 碳纤维纸的性能

1.4 制备工艺

1.5 研究进展

1.6 本论文的意义及研究内容

2 碳纤维复合导电纸的制备及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 碳纤维复合导电纸的稳定化改性

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 碳纤维复合导电纸的导电渗流行为及其模型研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 CF/ES复合导电纸的电热性能及其应用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论

参考文献

8 攻读学位期间的研究成果

致谢