結構-儲能型碳纖維-環(huán)氧樹脂基復合材料的制備及性能研究.pdf

1、隨著先進科學技術的迅速發(fā)展，集結構-功能一體化的復合材料成為研究的重要方向，其結構高性能化與功能復合化對實現現代器件裝備的高效率、輕量化、高可靠等意義重大。作為高性能纖維的一種，碳纖維因具有高強度、高模量、質量輕而被廣泛用于結構增強材料，碳纖維增強樹脂基復合材料因具有優(yōu)異的綜合性能已成為航空航天領域的基本材料。碳纖維不僅具有優(yōu)異的力學性能還具有優(yōu)良的導電性及碳材料固有的特性，在功能材料方面有應用潛力，近年來，結構-儲能型碳纖維/樹脂基復

2、合材料成為研究熱點。
　　基于結構-功能一體化復合材料的設計思想，本文設計結構碳纖維作為增強體及儲能電極、環(huán)氧樹脂作為基體及結構電解質，制備結構-儲能型碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，對新型環(huán)氧樹脂基凝膠電解質的結構、性能及結構碳纖維表面改性進行系統(tǒng)研究，并借助現代儀器分析手段對材料微觀結構、電化學及力學性能進行表征。具體研究內容和結果如下:
　　深入研究了環(huán)氧樹脂基凝膠聚合物電解質的結構及性能。采用聚乙二醇二縮水甘油醚為基體、三

3、乙烯四胺為交聯(lián)劑、碳酸丙烯酯為增塑劑及四丁基六氟磷酸銨為電解質鹽制備了環(huán)氧樹脂基凝膠電解質，研究了聚合物基體、電解質鹽濃度對電解質結構及性能的影響;采用納米TiO2、納米SiO2及介孔TiO2對電解質進行改性。結果表明聚合物含量增大電解質離子電導率下降、機械強度提高;電解質鹽TBAPF6濃度為0.8～1.0mol/l時，聚合物結晶度大幅降低，電解質離子電導率趨于最大值。納米TiO2、納米SiO2及介孔TiO2對電解質結構及性能有較大影響

4、，能與聚合物鏈段形成物理交聯(lián)網絡體系及表面羥基對環(huán)氧樹脂交聯(lián)固化反應起到加速促進作用，氧化物含量及在聚合物中的分散性嚴重影響其改性效果。由于介孔TiO2特殊的介觀結構及表面鍵合有大量羥基，與基體間相互作用體現最充分，改性效果顯著，以聚合物含量為65 wt.％、TBAPF6濃度為1.0 mol/l配制電解質體系，當介孔TiO2含量為6wt.％時，離子電導率由6.81×10-5 S/cm提高到11×10-5 S/cm，提高了61.5％;分解

5、電壓由2.75 V提高至大于5.0 V;電解質的壓縮強度由3.91 MPa提高至5.06 MPa，提高了29.4％，有效改善了環(huán)氧樹脂基凝膠電解質的綜合性能。
　　深入研究氧化改性對碳纖維及其環(huán)氧樹脂復合材料結構及性能的影響及機理。采用濃HNO3與空氣氧化法對碳纖維進行表面改性，濃HNO3氧化會降低碳纖維的力學強度，不能顯著提高其比表面積（為活化前的1.1～4.5倍），然而能有效引入活性官能團（為活化前的13～60倍），提高碳纖維

6、表面活性，其比容量為改性前的2.3～10.5倍，復合材料剪切強度提高3～20％，壓縮強度提高6～31.9％，壓縮模量提高6.5～28.4％。通過優(yōu)化工藝參數，濃HNO3與空氣氧化相結合能有效去除碳纖維表面缺陷使其拉伸強度提高，并顯著提高碳纖維比表面積（為活化前的11～48倍）及表面活性官能團（為活化前的37～80倍），優(yōu)化碳纖維表面特性，大幅提高了復合材料的儲能效果及力學性能，比容量為改性前的22～132倍，剪切強度提高10.8～36％

7、，壓縮強度提高22～65.4％，壓縮模量提高18.4～64％。采用碳纖維電極及環(huán)氧樹脂電解質制備的碳纖維/環(huán)氧復合材料呈現出超級電容器典型的雙電層電容特性，氧化處理提高了碳纖維比表面積、表面官能團的引入提高了碳纖維表面潤濕性及比表面積利用率，從而提高了碳纖維/環(huán)氧復合材料的電化學及力學性能。
　　開展溶劑揮發(fā)自組裝技術制備介孔TiO2的實驗研究。以P123為模板劑、鈦酸正丁酯為前驅體、濃鹽酸為抑制劑，通過溶劑蒸發(fā)誘導自組裝法制備介

8、孔TiO2，研究煅燒溫度、模板劑及酸量等因素對介孔TiO2結構及性能的影響。分析表明，介孔TiO2具有銳鈦礦晶型、蠕蟲狀的介孔結構，平均孔徑尺寸為4.3～7.8 nm，平均晶粒尺寸為8.4～12.5 nm，樣品比表面積為92.7～263.6 m2/g。隨焙燒溫度從350℃升高至500℃，樣品比表面積下降、平均孔徑增大、晶粒尺寸長大，介孔結構的規(guī)則性下降，當采用400℃處理3h，樣品比表面積為190.3 m2/g，平均孔徑7.2 nm，晶

9、粒粒徑為10.1 nm。隨模板劑用量從0.3 g增大至1.5 g，孔徑增大、介孔結構的規(guī)則性提高，比表面積從94.2 m2/g升高202.4 m2/g，模板劑用量過多則使介孔結構的穩(wěn)定性降低，實驗中模板劑用量為0.8～1.2 g時介孔結構規(guī)則性較好。酸量增大，介孔結構的孔徑增大，比表面積呈先增大后減小的趨勢，實驗中當濃HCl/Ti摩爾比為0.5～1.0之間時，能夠得到比表面積較大、孔徑較大且規(guī)則的介孔結構。通過改變實驗條件可有效調控介孔

10、TiO2的結構及性能。
　　開發(fā)介孔TiO2對碳纖維表面改性新技術。在上述對制備介孔TiO2實驗研究的基礎上，利用介孔材料比表面積大的優(yōu)點及涂層有助于提高碳纖維抗氧化性，采用介孔TiO2對碳纖維進行表面改性，在活性碳纖維表面原位合成介孔TiO2，制備介孔TiO2/CF增強體。介孔TiO2涂層有效提高了材料的比表面積，當負載量為65.4 wt.％時，材料的比表面積由負載前的1.5 m2/g提高至89.6 m2/g;而且，介孔TiO2

11、涂層使碳纖維表面缺陷得到一定程度的修復，減少了由缺陷引起的應力集中現象，使得碳纖維的力學強度得到提高;此外，焙燒溫度對涂層附著穩(wěn)定性有較大影響，低溫焙燒時涂層分布均勻、附著穩(wěn)定，高溫焙燒會因TiO2孔壁收縮程度加劇，內應力增大，導致涂層附著穩(wěn)定性降低。
　　對介孔TiO2/CF增強環(huán)氧復合材料的力學及電化學性能進行研究。結果表明復合材料的剪切強度最大可提高約40％，壓縮強度可提高約77％，壓縮模量可提高80％。復合材料的儲能方式仍

12、以雙電層電容為主，未表現出氧化物贗電容產生的跡象，具有良好的倍率特性及循環(huán)穩(wěn)定性。介孔的存在及TiO2與碳纖維間的協(xié)同效應使碳纖維的儲能效果顯著提高，負載31.8 wt.％的介孔YiO2后，活性碳纖維比表面積由1.5 m2/g提高至69.2 m2/g，比容量由0.092 F/g上升至3.34 F/g，能量密度和功率密度均明顯上升，介孔TiO2可有效降低電解質電荷傳遞電阻、提高離子的傳輸與擴散能力，使電容器內阻大幅降低，電化學性能顯著提高