Methane pyrolysis in preparation of pyrolytic carbon: Thermodynamic and kinetic analysis by density functional theory

The density functional theory has been successfully applied in analyzing pyrolytic carbon deposition by methane pyrolysis from the view of thermodynamics and kinetics based on a total number of 39 elementary reactions. M06-2X/def2-TZVP level was employed to optimize species structures and locate the transition states. The enthalpy changes and Gibbs free energy changes of all the reactions in the temperature range of 298.15–1800 K were derived with optimized species. Results show that the reacting temperature should be above 1200 K based on the equilibrium constant analysis, which is consistent with the typical reaction temperature adopted in experiments. Potential energy surface profiles report that radical attacking reactions have lower energy barriers than those direct decomposition reactions, especially hydrogen radical attacking reactions. The energy barriers of the first steps, dehydrogenations of methane and ethylene, are 272.4 kJ·mol⁻¹ and 288.9 kJ·mol⁻¹ at 1200 K, which are very close to the experimental activation energy for methane pyrolysis. The most favorable decomposition reaction path is the path of hydrogen radical attacking reactions. The highest energy barrier of the path at 1200 K is 185.7 kJ·mol⁻¹ presented by the C–H bond breaking in ethynyl attacked by hydrogen radical.     

超临界CO2技术对空心/实心石英混编纤维表面改性

采用热处理+溶剂浸洗+超临界CO2技术对空心/实心石英混编纤维表面进行预处理,同时利用超临界流体的携带与渗透作用,将KH-560偶联剂引入纤维表面进行改性。采用接触角测试、表/界面张力测试、树脂吸附量测试、力学性能测试、扫描电镜等分别测试纤维表面能、胶液表面张力与接触角、胶液与纤维浸润性,观察纤维表面形貌结构,分析复合材料的力学与介电性能。结果表明:采用热处理+溶剂浸洗+超临界CO2技术可有效去除空心/实心石英混编纤维表面浸润剂,提高纤维表面能,促进胶液与纤维的完全浸润,最终改善复合材料力学与介电性能。     

地外人工光合成装置研制与试验

原位资源利用技术是地外生命保障体系构建、实现人类地外生存的有效途径，是载人深空探索的核心技术。基于微通道技术的人工光合成反应器，采用流动反应器设计，用于低微重力等特殊环境条件下模拟人工光合作用，实现CO２向O２和含碳燃料的转化。微通道芯片通过气液剪切作用力使气体反应产物快速脱离电极表面并随反应介质排出反应器，理论上可以克服微重力条件对反应过程的影响，尚需进行微重力试验进行验证。同时，微通道结构可以通过精确控制反应气液的压力、流速、流量比等反应条件，获得优化的反应条件。通过地面试验，验证了该反应器将CO２还原为O２和含碳化合物的功能可行性。以Au和Ir/C作为阴极和阳极材料，3V电压条件下，O２产率可达11.74mL/h。此外，基于人工光合成反应器搭建了集反应模块、控制模块、流路驱动模块以及检测模块等于一体的地外人工光合成装置，形成原位反应、介质供给、精确控制、在线收集和检测等功能一体化的系统，并实现CO２有效转换和O２供给。为后续技术成熟度更高的反应装置研制、高产物选择性的含碳化合物转化以及人工光合成反应装置在轨试验奠定了理论和实践基础。     

熔融沉积成型连续碳纤维增强尼龙蜂窝芯材的压缩特性

采用熔融沉积成型方法成形了连续碳纤维增强尼龙复合材料蜂窝芯材,并对不同测试方向的静态单轴压缩特性进行了表征分析,着重关注不同测试方向熔融沉积成形蜂窝芯材平面静态压缩破碎行为和能量吸收行为,并与纯聚合物基体进行对比。结果表明:X_1方向的压缩平台区域的力-位移曲线更加平滑稳定,且载荷值稍高于X_2方向,因此X_1方向更适用于能量吸收应用;此外,连续纤维的增强作用可使蜂窝芯材的平台载荷值得到明显提升。研究结果为连续纤维增强聚合物复合材料的空间增材制造提供理论基础。     

阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力及孔质量

根据碳纤维复合材料制孔过程中产生的缺陷,自主磨制专用钻头——阶梯钻对碳纤维复合材料进行钻削实验,研究了在不同加工参数下阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力、孔出口质量、孔壁表面粗糙度,并与普通麻花钻头进行对比。结果表明:阶梯钻产生的钻削轴向力是麻花钻的一半,孔壁表面粗糙度值更小,孔出口没有明显的缺陷,阶梯钻适合钻削碳纤维复合材料。     

用于RFOG的光学锁相环仿真研究

谐振式光纤陀螺是实现光纤陀螺小型化发展的重要方向，具有广阔的应用背景和很好的应用前景。而激光器作为谐振式光纤陀螺的关键设备之一，其性能直接影响着谐振式光纤陀螺的精度。为了解决谐振式光学陀螺的背反噪声问题，采用光学锁相环技术对激光器频率进行锁定的方案，通过对光学锁相环进行建模、仿真分析，重点研究了锁相原理及锁相方案，验证了基于电流调制的半导体激光器的光学锁相环可行性。最终验证了光学锁相环的相位锁定效果，实现了两激光器输出频率差值稳定的设计目标。     

超低温用碳纤维增强树脂基复合材料的性能研究

根据低温液氧贮箱的缠绕工艺与特殊使用环境要求,分别针对3种自制的环氧树脂体系进行系统的工艺特性与低温抗裂纹性能研究。在此基础上以T700纤维复合材料为研究对象,详细考察其在超低温和高低温循环条件下的力学性能稳定性,并对其液氧相容性进行测试。最终以小型碳纤维复合材料筒体进行综合性能验证。研究结果表明,SFC-3环氧树脂具有较好的缠绕工艺特性,且在超低温和高低温交变条件下具有优异的抗裂纹特性。T700/SFC-3环氧复合材料分别经过高低温交变和超低温处理后,拉伸性能保留率在92%以上,且该复合材料具有良好的液氧相容性。T700/SFC-3环氧树脂复合材料筒体具有极好的耐高低温稳定性和气密性。     

基于波长控制的光纤陀螺标度因数温度性能提高方法

光纤陀螺的标度因数与光纤环的长度、直径及光源的平均波长有关。在温度条件下，光纤环的长度、直径及光源的平均波长均会发生变化，进而导致光纤陀螺在高低温下的标度因数不同，影响温度环境下的光纤陀螺标度因数的重复性。提出了一种基于光纤陀螺波长控制的标度因数温度性能提高方法，该方法在光源驱动电路的桥式回路中增加了铂电阻组件，从而可自动调节光纤陀螺光源的管芯温度，进而控制光源平均波长的变化，以抵消光纤环有效面积因温度变化而对标度因数产生的影响，提高温度环境下光纤陀螺的标度因数重复性。试验表明，该方法将未补偿情况下光纤陀螺全温范围内的标度因数重复性(1σ)由271×10-6~280×10-6减小到了32.5×10-6~43.5×10-6，标度因数重复性误差减小了84%~88%，并验证了该方法的有效性。     

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜，并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面，手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板，研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明，随着碳纳米管薄膜面密度的增加，层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高，当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时，层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳，与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时，会引起树脂浸润困难，导致增韧效果降低。     

热塑性定型剂对干铺丝-RTM工艺及力学性能影响

为了研究热塑性定型剂的添加对干铺丝-树脂传递模塑（RTM）工艺的影响，采用PA-6作为热塑性定型剂，通过T-剥离确定定型剂的质量分数，结合试验和工艺仿真，研究了定型剂对预制体面内渗透率的影响，并对其充模过程进行工艺仿真和分析，在此基础上研究了定型剂对环氧复合材料制品层间性能及韧性的影响。渗透率试验和仿真结果表明:加入定型剂后，纤维预制体的沿纤维和垂直纤维的面内渗透率分别降低了55.5%和52.0%；工艺仿真结果与试验结果一致，不同渗透长度下的注胶时间偏差均小于10%。力学性能试验结果表明:加入热塑性定型剂可显著提升环氧树脂复合材料的韧性，Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性分别提高了89.3%和54.1%，冲击韧性提高了18.7%，复合材料的层间剪切强度降低了23.6%。