基于新型碳纳米纸传感器对VARI工艺中树脂流动趋势的实时监测

采用喷射吸附过滤成形工艺获得一种高柔性、高灵敏度的碳纳米纸(BP)传感器,碳纳米纸传感器是由碳纳米管在分子间范德华作用力条件下形成的三维介孔结构的薄膜材料。碳纳米纸传感器可嵌入在复合材料预成形体铺层中,与复合材料一体成形,实时监测真空辅助液体复合成形(VARI)树脂的流动情况。结果表明,通过在线监测系统采集在树脂浸润过程中碳纳米纸传感器的电阻,可准确监测树脂流动到相对应的位置的时间,以此来判断树脂浸润过程中的流动趋势。本文证明了碳纳米纸传感器可以实时监测VARI工艺中树脂的动态行为,为避免VARI工艺中由树脂浸润造成的缺陷,改进工艺参数以及优化生产等提供了新的途径。     

碳纳米管有序增强体及其复合材料研究进展

碳纳米管(CNT)是迄今为止力学性能最高的轻质材料之一,同时兼具优异的导电性和导热性,作为新一代高性能增强材料具有难以估量的发展潜力。特别是以连续碳纳米管纤维和碳纳米管膜为代表与树脂复合制得的连续碳纳米管复合材料,被公认为是具有划时代意义的第3代先进复合材料。本文围绕连续碳纳米管纤维、碳纳米管膜及其与树脂复合形成的复合材料,介绍其制备方法、控制技术、结构特点、力学与功能特性等国内外研究进展,揭示了碳纳米管有序增强体中独特的多级结构特征与多级复合强化机制,阐述了该复合材料应用特色,并展望其应用前景与潜能,以期为碳纳米管纤维复合材料革新未来航空航天超轻结构的多功能化设计与研究提供参考。     

基于碳纳米纸传感器的复合材料结构低速冲击损伤监测

针对复合材料对冲击载荷比较敏感、内部损伤不易发现的问题,提出一种利用碳纳米纸薄膜作应变传感器的复合材料结构件低速冲击损伤监测方法。在拉伸条件下,对圆形和矩形碳纳米纸薄膜进行不同方向的传感系数测试,发现圆形碳纳米纸传感器具有较高且稳定的传感系数155.63,可以作为全向传感器监测冲击损伤。复合材料结构的冲击损伤由传感器的电阻变化率和超声C扫描结果同步表征。研究结果表明,传感器的电阻随着冲击能量的增加而增加,基于全向碳纳米纸传感器的结构健康监测不仅可以灵敏感知低速冲击损伤,为损伤程度评估提供客观数据,而且通过分析不同方向BP传感器的电阻变化可以判断损伤位置。进一步与传统C扫描结果相比较表明,全向碳纳米纸传感器可以有效预判低速冲击损伤,用于航空航天复合材料结构件的实时在线健康监测。     

碳纳米管增强复合材料研究进展

介绍了碳纳米管的结构、性能等特点，综述了碳纳米管在金属基复合材料、聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料中的应用研究情况，并对今后碳纳米管复合材料的发展趋势进行了展望。     

纳米碳复合材料在航空领域应用研究进展

航空材料的研究对航空技术的发展起着重要的支撑和保障作用,是航空现代化和高新技术发展的基础。现代航空业在结构和功能等多个方面都对航空材料的性能提出了更高的要求,而复合材料的应用可以很好地满足这些需求。纳米碳复合材料可以将碳纳米管和石墨烯等纳米材料优异的力学和功能特性在宏观尺度上最大程度地展现出来,在航空结构轻量化设计、电磁屏蔽、隐身和隔热等多个方面都表现出优异的性能。本文对国内外研究者们在纳米碳复合材料的结构及其功能特性方面取得的重要成果进行了系统阐述。相比于常规金属材料,纳米碳复合材料的研发为实现材料的结构–功能–智能一体化提供了切实可行的发展道路。     

碳纳米管改性对碳/ 环氧复合材料层间性能的影响

研究了在碳纤维织物上生长碳纳米管的改性对环氧树脂基复合材料层间性能的影响,对比了有无碳纳米管的碳纤维复合材料的层间剪切和弯曲性能,并采用碳纤维表面结合碳纳米管膜的方法研究了碳纳米管对碳/环氧复合材料层间性能的影响。结果表明,由于生长的碳纳米管长度过长(10μm)、末端无序排列为笼状,树脂无法进入碳纳米管内部,碳纳米管无法发挥增强作用,同时由于碳纳米管过长,复合材料内部缺陷增多,使得四种生长碳纳米管的碳纤维复合材料层间性能均有下降;而碳纳米管膜与碳纤维和树脂基体结合较好,使得复合材料层间剪切强度提高12%。     

抗氧化碳—碳复合材料

碳-碳复合材料的氧化敏感性限制了它的应用。为满足未来航天、空天飞机热结构材料的需要,必须解决碳-碳复合材料的抗氧化问题。改善碳-碳复合材料抗氧化性能的途径包括结构、纤维和基体的改进,目前碳化硅涂层是最有效的方法。     

喷射吸滤成型法制备碳纳米纸及其应变/温度传感特性

碳纳米纸可作为应变传感器监测结构应变损伤,同时还可作为温度传感器监测环境温度变化。将多壁碳纳米管单分散后,采用喷射吸滤法制备碳纳米纸,利用场发射扫描电子显微镜和氮气吸附法表征碳纳米纸微观形貌及平均孔径。碳纳米纸的应变传感和温度传感实验表明碳纳米纸对应变灵敏度较高,灵敏度系数分别为10.21(0~39 000με)和524.79(39 000~55 000με);碳纳米纸经退火处理后,升温过程电阻温度系数分别为-6.57%/℃(20~100℃)和-3.25%/℃(100~200℃),降温过程电阻温度系数分别为-5.79%/℃(20~100℃)和-2.88%/℃(100~200℃),具有较好的温度传感可逆性和重复性。     

热固性聚酰亚胺树脂基复合材料的增韧改性研究进展

热固性聚酰亚胺是目前有机材料体系中耐热性能最为优异的材料之一,以其制备的纤维增强复合材料在航空航天领域获得了大量的应用。但韧性性能不足限制了其在多个领域的进一步应用,因此高韧性聚酰亚胺复合材料逐渐成为近年来研究的热点。综述了热固性聚酰亚胺树脂基复合材料增韧改性方法的研究现状与发展趋势,涉及基于分子主链结构的增韧改性方法、热塑性聚合物共混增韧热固性聚酰亚胺、热塑性聚合物层间增韧改性聚酰亚胺复合材料等一系列方法。     

基于碳纳米管薄膜的复合材料在线损伤监测

考虑到纤维增强树脂基复合材料会在服役过程中因受冲击、压缩以及疲劳等因素的作用而发生损伤,基于碳纳米管薄膜优异的力电响应特性开发了一种具有在线损伤监测能力的自感知复合材料。碳纳米管可在薄膜中形成导电网络,复合材料损伤会破坏导电通路,使碳纳米管薄膜的电阻大幅度增加。通过测量自感知复合材料的边界电压并利用电阻层析成像法对碳纳米管薄膜内电导率的分布变化进行求解/成像,实现了复合材料的在线损伤监测。分别对贯穿孔损伤和I型层间断裂损伤模式进行了研究,结果表明所制备的自感知复合材料对这两种损伤模式均可实现损伤定位及图像化显示,对于贯穿孔型损伤模式可实现对面积占比0.038%的损伤进行在线监测,定位精度可达毫米级。     

碳纳米管粉体高温石墨化的研究

对碳纳米管粉体在高温和高压进行处理,使其中的非晶碳转变成晶态碳,达到净化目的。通过透射电镜、拉曼光谱分析、比表面积测试、二氧化碳和空气氧化后的失重测试,证实石墨化程度有显著提高。说明对碳纳米管粉体的高温石墨化可以改变碳纳米管性能。     

CNTs泡沫相变复合材料:纳米孔隙的构筑与相变材料的包裹

热能是一种广泛存在并极具应用前景的能源,但目前储热材料的能量转换时间较长,储热效率较低,亟需一种高性能的新型储热材料。本工作通过化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)方法利用碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)构筑宏观体材料,在微纳尺度下对复合材料结构进行优化,合成孔隙结构可控的 CNTs泡沫,利用毛细管作用力将熔融相变材料硬脂酸和石蜡填充到 CNTs 泡沫中,形成分散均匀的 CNTs相变复合材料。用聚焦离子/电子双束显微电镜(FIB/SEM)观察样品形貌,用差式扫描量热计(DSC)分析样品潜热,用 X 射线衍射仪(XRD)分析样品晶体结构,用拉伸试验机测试样品强度。结果表明:CNTs泡沫对相变材料具有优异的包裹性,减少了在相变循环中相变材料的流失;复合相变材料具有较高的潜热。     

碳纳米管悬浮液强化重力型平板热管性能的实验

以带有微槽道强化传热面的小型重力型平板热管蒸发器为研究对象,以水-多壁碳纳米管(CNT)组成的纳米悬浮液为工质,在不同运行压力和不同悬浮液质量浓度下对热管蒸发器的沸腾换热特性以及临界热通量(CHF)进行了实验研究.研究证明:以水-多壁碳纳米管组成的纳米悬浮液可以明显地强化重力型平板热管蒸发器的换热特性.沸腾换热系数强化率和CHF强化率随压力降低而大幅度增加.悬浮液质量浓度对沸腾换热系数和CHF也有重要影响,在低质量浓度时,沸腾换热系数和CHF随质量浓度增加而缓慢增加.但是在质量浓度超过2.0%时,质量浓度的影响基本消失.      

聚醚醚酮/多壁碳纳米管复合材料的凝聚态结构与交流电性能

利用同体合金化方法,制备了不同质量比的聚醚醚酮(PEEK)/多壁碳纳米管(MwNT)复合材料,通过场发射扫描电镜观察了凝聚态结构;对比研究了缓冷和速冷模压成型复合材料的熔融吸热峰和热焓的变化、交流电性能参数.结果表明:固体合金化方法能实现MWNT在PEEK基体中的短切与良好分散,有利于导电网络的形成:添加MWNT可促使低温晶相的形成;随MWNT含量的增加,PEEK/MWNT复合材料低温结晶相的熔融峰更加明显;速冷成型能降低复合材料的结晶度,增大晶粒尺寸分布,促进不同尺度晶粒晶界处形成不同长度MWNT的导电网络,有效降低材料的电阻和体系的逾渗阈值;PEEK/MWNT复合材料的交流电性能参数随频率和MWNT含量的变化而变化,但缓冷成型和速冷成型具有不同的临界频率和逾渗阈值.     

碳纳米管接触电阻的研究进展

与金属之间过高的接触电阻是影响碳纳米管在微纳电子器件中应用的关键因素之一,本文从形成机理和改善方法两个方面综述了近年来碳纳米管接触电阻的研究进展。介绍了利用第一性原理对碳纳米管与金属界面电子输运性能的理论研究,以及金属功函数对界面势垒调试作用的实验研究。研究表明金属与碳纳米管之间具有较弱的杂化作用和较长的接触长度时,接触电阻较小;金属与碳纳米管功函数越接近,势垒高度越低。阐述了超声焊接技术、高温退火法、金属沉积法、局部焦耳热法等常用降低碳纳米管接触电阻方法的作用机理,并分析了这些方法对器件性能的改善作用。其中局部焦耳热法操作简单、易于自动化、对器件损害小、成本低,是目前比较理想的降低碳纳米管接触电阻的方法。     

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。     

镀钴碳纳米管/环氧树脂基复合材料的制备及其微波吸收特性研究

采用化学镀法制备了表面镀钴的多壁碳纳米管，并将其均匀分散在环氧树脂基体中固化成膜，形成镀钴碳纳米管／环氧树脂基复合材料。采用透射电镜、X射线衍射及振动样品磁强计等对镀钴碳纳米管的形貌、微结构与磁性能进行了表征，还采用数字化网络分析仪对该复合材料在0．5～40GHz频段内的微波吸收特性进行了研究。结果表明：在相同的碳管质量分数(1％)和吸波介质层厚度(2．0mm)等条件下，与纯碳纳米管相比，表面镀钴碳纳米管的吸收峰往高频方向移动，吸收强度略有增加，但吸收频带并没有宽化趋势。     

碳纳米管膜层间增韧对碳纤维复合材料力学性能的影响

分别采用两种碳纳米管膜进行层间增韧,应用热压罐工艺成型了碳纳米管膜/碳纤维增强树脂基复合材料,研究了碳纳米管膜的成型工艺、取向、面密度对复合材料力学性能和层间韧性的影响。结果表明:CNT膜平行于碳纤维铺放时复合材料的压缩强度、90°弯曲强度和层剪强度均高于CNT膜垂直于碳纤维铺放时的复合材料性能。面密度较小的CNT膜对复合材料的增韧效果较好。喷涂法成型的碳纳米管膜层间改性的复合材料层间断裂韧性明显优于拉膜法碳纳米管膜层间改性的。CNT无规膜的面密度为0.75 g/m2时,复合材料的GIC和GIIC最优,相比改性前分别提高了21%和42%。     

碳纳米管-碳纤维多尺度增强体研究进展

连续碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域是一种关键的结构材料,将性能优异的纳米材料引入复合材料中将有可能提高材料的机械性能.文章介绍了化学气相沉积、化学接枝、电泳沉积等技术在制备碳纳米管-碳纤维多尺度增强体方面的研究进展,并阐述了碳纳米管的引入对复合材料界面性能的影响,提出电泳沉积作为一种经济、有效的技术而具有规模化生产的工业潜力.