碳纖維表面生長碳納米管-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)的化學氣相沉積(CVD)生長碳納米管/碳納米纖維(CNTs/CNFs)工藝以及其復合材料為研究對象，主要包含以下三個方面:(1)電化學陽極氧化對碳纖維表面特性、碳纖維整體性能和催化劑附著情況的影響。(2)通過改變電化學處理和CVD工藝參數(shù)，研究了催化劑顆粒形貌、CVD溫度、CVD壓力及CVD時間對碳纖維表面CNTs/CNFs的形貌及碳纖維性能的影響。(3)CVD工藝對碳纖維表面生長CNTs/CNFs多尺度增

2、強復合材料的性能影響。
　　利用電化學陽極氧化法，通過自行設計、改裝的電化學處理設備，開發(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體的方法。通過研究電化學處理工藝對碳纖維表面物理和化學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。研究結果如下:隨著電化學處理程度的加深，表面生色官能團的增加使碳纖維呈現(xiàn)不同的顏色，同時，纖維的比表面積逐漸增大，當通電量為250C/g時，纖維比表面積比未處理時增加了7倍

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

4、　通過系統(tǒng)研究CVD過程中催化劑形貌、溫度、時間和壓力對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，電化學處理時對碳纖維通電量越大，催化劑顆粒直徑越大，粒徑尺寸相差越大。當催化劑直徑＜7nm時，纖維表面難以生長CNTs/CNFs，當直徑＞23nm時生長的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，當溫度為450℃時，表面沒有生長CNTs/CNFs，溫度升高，催化劑顆粒獲得活性，600℃時，表面出現(xiàn)無定形碳等雜質結構。CVD壓力越高，CNTs/CNFs的加載量越多，但碳源濃度過高會在纖維表面形成更多的雜質。CVD時間對CNTs/CNFs的生長促進作用存在邊界效應，當CVD時間＜10min時，CNTs/CNFs的生長速度較快，所以CNTs/C

6、NFs的加載量迅速升高，繼續(xù)延長CVD時間(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的生長速度開始放緩。電化學處理和催化劑還原過程會對纖維拉伸性能造成較大的損傷（分別為7％和11％），而CVD過程對碳纖維的拉伸性能有修復作用。通過優(yōu)化CVD工藝，500℃條件下CVD時間15min和600℃條件下CVD時間10min生長CNTs/CNFs對碳纖維力學性能修復效果最好。

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