碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管-碳納米纖維工藝優(yōu)化及性能表征.pdf

1、本文以碳纖維表面改性工藝、后續(xù)的化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)碳納米管/碳納米纖維(CNTs/CNFs)工藝以及其復(fù)合材料為研究對(duì)象，主要包含以下三個(gè)方面:(1)電化學(xué)陽(yáng)極氧化對(duì)碳纖維表面特性、碳纖維整體性能和催化劑附著情況的影響。(2)通過(guò)改變電化學(xué)處理和CVD工藝參數(shù)，研究了催化劑顆粒形貌、CVD溫度、CVD壓力及CVD時(shí)間對(duì)碳纖維表面CNTs/CNFs的形貌及碳纖維性能的影響。(3)CVD工藝對(duì)碳纖維表面生長(zhǎng)CNTs/CNFs多尺度增

2、強(qiáng)復(fù)合材料的性能影響。
　　利用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法，通過(guò)自行設(shè)計(jì)、改裝的電化學(xué)處理設(shè)備，開(kāi)發(fā)了一種連續(xù)、低損傷得在碳纖維表面均勻加載催化劑前驅(qū)體的方法。通過(guò)研究電化學(xué)處理工藝對(duì)碳纖維表面物理和化學(xué)特性以及催化劑顆粒形貌和尺寸的影響，系統(tǒng)的優(yōu)化了碳纖維表面處理工藝。研究結(jié)果如下:隨著電化學(xué)處理程度的加深，表面生色官能團(tuán)的增加使碳纖維呈現(xiàn)不同的顏色，同時(shí)，纖維的比表面積逐漸增大，當(dāng)通電量為250C/g時(shí)，纖維比表面積比未處理時(shí)增加了7倍

3、左右，纖維表面并沒(méi)有明顯的溝槽產(chǎn)生。拉曼光譜和酸堿滴定測(cè)試表明，處理后纖維的R值(ID/IG)和官能團(tuán)含量逐漸升高。隨著處理程度的加深，碳纖維表面的石墨微晶尺寸變小，表面官能團(tuán)含量和種類(lèi)變多，纖維表面的無(wú)序度增加。但過(guò)大的通電量會(huì)導(dǎo)致纖維石墨片層的刻蝕脫落，當(dāng)通電量高于150C/g時(shí)，官能團(tuán)含量開(kāi)始下降，形成石墨晶格缺陷，擴(kuò)大了微晶的晶界，使纖維拉伸性能受到損傷。最佳的電化學(xué)處理工藝為，電解質(zhì)O3PNH4，通電量100C/g。
　

4、　通過(guò)系統(tǒng)研究CVD過(guò)程中催化劑形貌、溫度、時(shí)間和壓力對(duì)碳纖維表面催化劑顆粒形貌、催化效率以及CNTs/CNFs的形貌與加載量的影響，得出以下結(jié)論:粒徑大小一致，均勻分布的催化劑顆粒是形成良好CNTs/CNFs形貌的前提條件。CNTs/CNFs直徑通常大于催化劑顆粒的直徑，電化學(xué)處理時(shí)對(duì)碳纖維通電量越大，催化劑顆粒直徑越大，粒徑尺寸相差越大。當(dāng)催化劑直徑＜7nm時(shí)，纖維表面難以生長(zhǎng)CNTs/CNFs，當(dāng)直徑＞23nm時(shí)生長(zhǎng)的CNTs/C

5、NFs的管徑將難以控制，CNTs/CNFs管徑分布極不均勻。CVD溫度影響催化劑顆粒的活性，當(dāng)溫度為450℃時(shí)，表面沒(méi)有生長(zhǎng)CNTs/CNFs，溫度升高，催化劑顆粒獲得活性，600℃時(shí)，表面出現(xiàn)無(wú)定形碳等雜質(zhì)結(jié)構(gòu)。CVD壓力越高，CNTs/CNFs的加載量越多，但碳源濃度過(guò)高會(huì)在纖維表面形成更多的雜質(zhì)。CVD時(shí)間對(duì)CNTs/CNFs的生長(zhǎng)促進(jìn)作用存在邊界效應(yīng)，當(dāng)CVD時(shí)間＜10min時(shí)，CNTs/CNFs的生長(zhǎng)速度較快，所以CNTs/C

6、NFs的加載量迅速升高，繼續(xù)延長(zhǎng)CVD時(shí)間(15min)，裂解的碳原子優(yōu)先沿CNTs/CNFs軸向堆積，CNTs/CNFs直徑增大，CNTs/CNFs的生長(zhǎng)速度開(kāi)始放緩。電化學(xué)處理和催化劑還原過(guò)程會(huì)對(duì)纖維拉伸性能造成較大的損傷（分別為7％和11％），而CVD過(guò)程對(duì)碳纖維的拉伸性能有修復(fù)作用。通過(guò)優(yōu)化CVD工藝，500℃條件下CVD時(shí)間15min和600℃條件下CVD時(shí)間10min生長(zhǎng)CNTs/CNFs對(duì)碳纖維力學(xué)性能修復(fù)效果最好。

7、>　　碳纖維表面生長(zhǎng)CNTs/CNFs后，增加了碳纖維表面粗糙度，增加了纖維與樹(shù)脂之間的結(jié)合面積，碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的浸潤(rùn)性提高51.2％，界面結(jié)合效果顯著改善。通過(guò)改變工藝條件，纖維單絲復(fù)合材料的界面剪切力提高23％～90％。單絲復(fù)合材料界面脫粘測(cè)試和復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度測(cè)試表明，CNTs對(duì)復(fù)合材料界面的增強(qiáng)效果更好。隨CNTs/CNFs的加載量的提高，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度先增加后減少。最佳的CVD工藝為溫度600℃，時(shí)間10min，