碳纤维表面生长碳纳米管及其增强复合材料性能的研究

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( , 乙醇溶液中 , 浸渍 １ 经烘干箱８ C o NO ０m i n ０ħ ３) ２) , , 烘干 １ ０m i n 后 由收丝机收取 工艺过程如图 １ 所示 ,
维的纵向 与 横 向 抗 压 强 度 分 别 提 高 了 ４ ３％ 与 ９ ４％ . 提高了 ２ 现存的一些难题制 ０％ , ７ ５％ 与 ６ ６％ . 然 而 , ( 约着该技 术 的 发 展 , 主 要 体 现 在: １)碳 纤 维 表 面 能 低, 活性基团少 , 导 致 其 与 催 化 剂 的 润 湿 性 较 差, 催化
天㊁ 国防军工 ㊁ 汽车工业 ㊁ 风力发电 ㊁ 体育休闲等诸多领 域 . 然而 , 碳纤维表面能低和活性基团少 , 呈现憎液性 而不利于基体树 脂 浸 渍 , 导致其增强复合材料的界面
] ２ , 粘结性能差 [ 难以实现碳纤维增强相的增强作用 .
, 广泛应用于航空航
电 解 液 为 质 量 分 数 ５％ 的 NH４ H２ ０． ２, ０． ４ 和 ０． ６ A, 由聚四氟乙烯导向辊 P O ４ 溶液 . 碳纤 维 经 过 阳 极 辊 , , / 导出浸入 ０． ５m i n １ ２ ０ ħ 烘干 １ ０m i n后, ０ ５m o l L的 催化 剂 前 驱 体 ( 这里为 F e( NO N i( NO ３) ３㊁ ３) ２ 与 ( ) 改性设备如图 １ 所示 . a 碳纤 维 被 导 入 水 洗 槽 , 经去离子水洗涤纤维表面
范汶鑫 等 : 碳纤维表面生长碳纳米管及编号 : １ ０ ０ １ Ｇ ９ ７ ３ １ ２ ０ １ ５ ２ ０ Ｇ ２ ０ ０ ９ ７ Ｇ ０ ５
２ ０ ０ ９ ７
碳纤维表面生长碳纳米管及其增强复合材料性能的研究
２ ２ , ,陈纪强２,袁 ㊀ 燕２,李爱国２, 范汶鑫１, 王延相１, 王成国２
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( 山东大学 材料科学与工程学院材料液固结构演变与加工教育部重点实验室 ,济南 ２ １． ５ ０ ０ ６ １; ) 山东大学 材料科学与工程学院碳纤维工程技术研究中心 ,济南 ２ ２． ５ ０ ０ ６ １ 摘㊀要: 利 ㊀ 通过电化学阳极氧化法改性碳纤维表面 , 用浸渍法在连续的碳纤维表面加载了均匀的催化剂前 驱体涂层 , 并通过化 学 气 相 沉 积 法 ( 在碳纤维表 C V D) 面催化生长了 均 匀 ㊁ 规 整 的 碳 纳 米 管. 利 用 场 发 射 扫 描电镜 ( 研究了电化学氧化电流强度对碳纤 F E S EM) 维表面加载催化剂颗粒的形貌与碳纤维表面催化生长 碳纳米管形貌的 影 响 , 发现最佳的电化学氧化电流强 度为０． ４A; C o 作为催化剂时 , ５ ０ ０ ħ 气相沉积１ ０m i n 后制备的复合材料层间剪切强度与未做任何处理的碳 纤维及脱浆后的 碳 纤 维 作 为 增 强 体 时 相 比 , 分别提高 了１ １． ０％ 与 ２ ６． ５％ . 剪切强度 关键词 : ㊀ 电化学阳极氧化 ;碳纤维 ;碳纳米管 ;层间 : / D O I １ ０． ３ ９ ６ ９ i ． s s n ． １ ０ ０ １ Ｇ ９ ７ ３ １． ２ ０ １ ５． ２ ０． ０ ２ １ j 中图分类号 : ㊀T Q ３ ４ ２． ３ １ 文献标识码 : A 剂较难均匀加载 在 纤 维 表 面 , 最终造成碳纤维表面加
通过化学气相沉积法 ( 可在碳纤维表面实现碳纳 C V D) [] 米管的可控生长 , 是近来研究的热点 .S h a r m a等 ７ 通 过C 发现碳纤 V D 法在纤维表面沉积了多壁碳纳米管 , 碳纤维布与 M a t h u r等 ８ 通过浮动 C V D 法 在 碳 纤 维㊁ 碳毡表面加载了碳纳米管使复合材料的抗弯强度分别
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２． ３㊀ 催化剂的还原与碳纳米管的生长 将附着催化剂 的 碳 纤 维 缠 绕 于 石 墨 架 子 上 , 放入
在高纯 N F R D Ｇ ４ ０ ０ Ｇ C V D 立 式 化 学 气 相 沉 积 炉 内, ２ ( / ) , 保护下将炉温升到 ４ 通入 １ ０L m i n ５ ０ ħ 后关闭 N ２
本文用电化学 阳 极 氧 化 法 改 性 碳 纤 维 表 面 , 在连
２㊀ 实 ㊀ 验
１㊀ 引 ㊀ 言
蚀㊁ 低密度 等 一 系 列 优 异 性 能
) 碳纤维增强复 合 材 料 ( 具 有 抗 疲 劳㊁ 耐腐 C F R P s
[ １]
２． １㊀ 脱浆 ) 将P 置于化学气 AN 基碳纤维 ( T ７ ０ ０ Ｇ １ ２ K, T o r a y ２． ２㊀ 碳纤维表面改性与催化剂加载 , 本文选用的改性 时 间 为 ８ 选取的电流强度为 ０s 相沉积炉中 , 真空状态下煅烧 １h 除去表面上浆剂 .
体, 能增强碳纤维与基体的啮合作用 , 从而提高纤维与 基体的界面粘 结 强 度
] ５] ６ . 碳纳米管的固有优异性能 , 比如导热性 [ 及导电性 [ [ ３ Ｇ ４]
碳纤维表面接枝碳纳米管是一种新的多尺度增强 ; 同 时, 在复合材料中引入了
导入电解液中 , 再 由 第 二 个 聚 四 氟 乙 烯 辊 导 出, 随 后,
] ９ ; ( 载的碳纳米管分布不均匀 , 规 整 度 较 差[ ２)在 催 化
剂前驱体的还原和化学气相沉积过程中 , 温度较高 , 金 属催化剂容易扩 散 到 纤 维 内 部 , 导致碳纤维强度与金
] １ ０ Ｇ １ １ . 属催化剂颗粒活性降低 [
续的碳纤维表面 加 载 了 均 匀 的 催 化 剂 前 驱 体 涂 层 , 在 碳纤维表面催化生长了均匀 ㊁ 规整的碳纳米管 , 解决了 目前由于 催 化 剂 加 载 不 均 匀 导 致 碳 纳 米 管 分 布 不 均 匀㊁ 缺乏规整度 的 难 题 . 研 究 了 电 化 学 改 性 过 程 中 电 流强度对碳纤维 表 面 加 载 催 化 剂 颗 粒 形 貌 ㊁ 催化生长 碳纳米管的形 貌 以 及 碳 纳 米 管/碳 纤 维 多 尺 度 增 强 环 氧树脂复合材料层间剪切强度的影响规律 .