碳纤维水泥基材料的机敏特性研究

水泥基材料是一种高电阻率的惰性材料,通过掺入一定体积含量(0.2 vol%~1.2 vol%)的短切碳纤维,可显著提高其电导率。本文作者研究了碳纤维水泥基材料表观电导特性与其内部微观结构的关系,探讨了电阻率的变化与材料所受外部荷载的关联性。结果表明碳纤维水泥基材料具有实时诊断内部损伤的机敏性:当水泥基材料内部裂纹产生或扩展时,表现为材料电阻率上升;而当水泥基材料内部裂纹闭合时,其电阻率下降。碳纤维水泥基材料的电阻变化与所受荷载呈良好的线形关系;而不含碳纤维的普通水泥基材料在整个受荷过程中,其电导特性则无明显变化。碳纤维水泥基材料电导特性的变化反映了水泥基材料内部损伤状况丰富的信息,根据这一特性可以及时预报水泥基材料内部潜在的损伤状况,有效地防止灾难性的破坏。     

化学镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料电磁屏蔽性能

采用化学镀方法对碳纤维进行表面镀镍, 采用SEM、 EDX、 XRD分析了镀镍碳纤维的微观形貌、 镀层成分和镀层结构, 通过电阻测试研究了镀镍碳纤维的导电性。将体积分数为2.5%、 5%、 7.5%、 10%的镀镍碳纤维作为导电填料制备镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料, 并用屏蔽室法测试了不同频段复合材料的屏蔽效能。结果表明: 碳纤维化学镀镍后, 表面形成了一层均匀的复合镀层, 镀层中镍的质量分数高达94%, 镀镍碳纤维的电阻值仅为碳纤维原丝的1/54。镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽能力较碳纤维原丝有所提高。复合材料的屏蔽效能随镀镍碳纤维添加量的增加而升高。在低频频段(kHz频段), 复合材料的屏蔽能力主要决定于材料的本征参数, 不同镀镍碳纤维含量的镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的屏蔽能力相差不大; 在中高频频段(MHz、 GHz频段), 镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料屏蔽效能主要决定于材料的电阻率。     

化学镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料电磁屏蔽性能

采用化学镀方法对碳纤维进行表面镀镍,采用SEM、EDX、XRD分析了镀镍碳纤维的微观形貌、镀层成分和镀层结构,通过电阻测试研究了镀镍碳纤维的导电性.将体积分数为2.5％、5％、7.5％、10％的镀镍碳纤维作为导电填料制备镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料,并用屏蔽室法测试了不同频段复合材料的屏蔽效能.结果表明:碳纤维化学镀镍后,表面形成了一层均匀的复合镀层,镀层中镍的质量分数高达94％,镀镍碳纤维的电阻值仅为碳纤维原丝的1/54.镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽能力较碳纤维原丝有所提高.复合材料的屏蔽效能随镀镍碳纤维添加量的增加而升高.在低频频段(kHz频段),复合材料的屏蔽能力主要决定于材料的本征参数,不同镀镍碳纤维含量的镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的屏蔽能力相差不大;在中高频频段(MHz、GHz频段),镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料屏蔽效能主要决定于材料的电阻率.     

气相生长碳纤维C／C复合材料的制造及其电气特性

C/C复合材料做为耐热、耐摩擦、结构材料不断用于航天航空材料和刹车材料,这里研究了增强C/C复合材料的电气性能,试图开拓C/C复合材料在这方面的应用。用碳纤维中最低电阻率的气相生长碳纤维制造C/C复合材料,并讨论了其电传导性。填料碳纤维是由流动床法得到的气相生长碳纤维,在1100、2400、2600℃、热处理得到(以下称NVG1100、NVG2400、NVG2600)。为比较采用PAN系碳纤维T300(MLD30),基体采用酚醛树脂系的苯酚     

碳纤维(LCF)-无宏观缺陷(MDF)水泥基复合材料电学性能的研究

本文研究了碳纤维(LCF)-无宏观缺陷水泥(Macro-Defect-Free Cement)基复合材料的电阻率 ρ、随 LCF 体积分数的变化规律。结果表明,当 LCF 体积分数由5%增加至50%时,该材料的 lgρ_v 由10Ω·cm 下降到10~(-1)Ω·cm 数量级。体积分数为23%时出现了渗滤阈值(Pecolation Threshold)现象。通过分析认为该材料的导电机制为隧道导电。另外测定了该材料电磁屏蔽效率 S。得到在400—1600MHz 频率范围内,对电磁波具有10—40dB 良好的衰减效果。     

短碳纤维增强聚乳酸的制备与性能研究

采用熔融挤出法制备了短碳纤维/聚乳酸复合材料,通过力学性能测试、SEM和固体流变分析等方法研究了短碳纤维含量对复合材料力学性能、体积电阻率和硬度的影响。结果表明:在实验范围内,随着短碳纤维含量的增加,复合材料的力学性能提高,体积电阻率显著下降,而其洛氏硬度变化不大。     

碳纤维/铝复层材料的组织和力学性能

在1060系铝基体表面镀镍碳纤维作为增强体,进行真空热压扩散制备出碳纤维/铝复层材料。研究了制备工艺参数(加热温度、保温时间、压力大小)和碳纤维体积分数对碳纤维/铝复层材料的微观组织、界面结合、性能强度和断口形貌的影响。结果表明：碳纤维与铝基体界面结合良好,镀镍层与铝基体在碳纤维附近反应生成的Al₃Ni阻止了铝基体与碳纤维之间生成脆性相Al₄C。随着碳纤维体积分数的提高,材料的抗弯强度先提高后降低。     

掺CCCW的碳纤维石墨水泥基复合材料的导电及压阻特性

利用四电极法研究了内掺水泥基渗透结晶防水材料(CCCW)的碳纤维石墨水泥基复合材料试样(40 mm×40 mm×40 mm)的导电特性及其在循环荷载作用下的压阻特性,分析讨论了碳纤维石墨水泥砂浆的体积电阻率及压阻特性随石墨掺量的变化规律。碳纤维和CCCW的掺量分别为水泥质量的1%和4%;石墨掺量分别为水泥质量的0%、10%、20%、30%、40%和50%。结果表明,添加CCCW的碳纤维石墨砂浆试样的体积电阻率随石墨掺量的增加迅速下降,并存在渗滤现象,渗滤阈值为20%左右。在循环荷载作用下,不同石墨掺量试样的电阻和应力存在一定的对应关系。石墨掺量为水泥质量的20%～30%时,碳纤维石墨水泥砂浆试样的体积电阻率与压应力呈现良好的可重复性,电阻值在应力加载时几乎呈线性下降,而卸载时增加。     

连续碳纤维单丝的应变电阻效应

碳纤维是一种十分重要的新型材料,是先进复合材料中最重要的增强材料之一,同时又是一种功能材料. 研究了连续碳纤维单丝的应变电阻效应,分析了在拉应力作用下其电阻率的变化规律.结果表明:连续碳纤维单丝的电阻应变灵敏系数为1.38,比常用电阻应变片的要低,原因是碳纤维的电阻率在拉应力作用下是减小的.另外连续碳纤维受拉时,其电阻的变化由纤维几何尺寸及电阻率的变化引起,但主要是由几何尺寸的变化而引起的.同时,测试了连续碳纤维单丝的力学性能.     

导电水泥基材料的制备及其电阻率测试方法研究

通过试验比较研究了短切碳纤维在水泥基材料中的两种不同分散工艺,利用SEM观察证实了碳纤维水泥基材料的电阻率主要取决于碳纤维的分散程度和所形成的导电网络的搭接状况。针对导电水泥基材料的电阻率测试,比较了两极组合法与四极法的差异。研究结果表明,湿拌法有利于碳纤维的分散,并可在相同的纤维掺量下获得较小的电阻率。与两极组合法相比,四极法可以避免测试过程中的极化现象,并可消除测试电极与碳纤维水泥基材料之间的接触电阻,因而可以作为导电水泥基材电阻率测试的理想方法。     

Electrical resistivity prediction of dry carbon fiber media as a function of thickness and fiber volume fraction combining empirical and analytical formulas

The transverse electrical resistivity of the dry unidirectional carbon fiber preforms was studied experimentally taking into consideration various parameters. The dependency of the electrical resistivity transverse to the fibers was thoroughly experimentally studied as a function of the preform thickness and the fiber volume fraction. Empirical mathematical relations were extracted and combined with a non-linear compaction semi-analytical formula. The extracted formula consolidates the compressibility of the preform material, the preform thickness and the fiber volume fraction or the applied pressure in order to calculate the electrical resistivity of the unidirectional preform material transverse to the fibers. Two electrical resistance measurements, at two different thicknesses and two electrical resistance measurements, at two different pressure levels, are necessary to obtained, in order to predict the full range of the electrical resistivity values of the preform material transverse to the fibers as a function of thickness and fiber volume fraction. Very good agreement between the proposed formulas and the experiments has been obtained.     

镀镍碳纤维-碳纤维-玻璃纤维/乙烯基酯树脂导电复合材料的设计制备及其电磁性能

本研究旨在设计制备兼具电和磁功能的新型导电复合材料。采用具有良好导电性的短切碳纤维（CF）与兼具磁性和导电性的短切镀镍碳纤维（Ni-CF）作为功能体,以短切玻璃纤维（GF）作为填料,以乙烯基酯树脂（VER）作为基体,设计制备电磁性能可调控的导电复合材料。分别研究了CF含量对CF-GF/VER导电复合材料体积电阻率的影响、Ni-CF长度对（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料体积电阻率的影响,重点研究了Ni-CF含量对（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料体积电阻率和磁导率的影响,并初步探索了导电复合材料的电磁屏蔽性能。结果表明：（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料体积电阻率在0.35~36.48 Ω·cm范围内可调,磁导率在0.2~0.7内可调。CF和Ni-CF的含量和长度都会对（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料电磁性能产生较大影响。制备的（Ni-CF）-CF-GF/VER导电复合材料有望应用于电磁屏蔽领域。     

Smart Behavior of Carbon Fiber Reinforced Cement-based Composite

The electrical characteristics of cement-based material can be remarkably improved by the addition of short carbon fibers.Carbon fiber reinforced cement composite (CFRC) is an intrinsically smart material that can sense not only the stress and strain, but also the temperature. In this paper, variations of electrical resistivity with external applied load, and relation of thermoelectric force and temperature were investigated. Test results indicated that the electrical signal is related to the increase in the material volume resistivity during crack generation or propagation and the decrease in the resistivity during crack closure. Moreover, it was found that the fiber addition increased the linearity and reversibility of the Seebeck effect in the cement-based materials. The change of electrical characteristics reflects large amount of information of inner damage and temperature differential of composite, which can be used for stress-strain or thermal self-monitoring by embedding it in the concrete structures.     

组成和结构对连续SiC纤维电阻率的影响

通过烧成制备了电阻率量级大小不同的三种连续SiC纤维, 对纤维的元素组成、结晶性能和表面结构进行了分析. 结果表明: 通过调整不熔化及烧成工艺参数可以获得电阻率量级不同的连续SiC纤维. 当纤维表层具有一定厚度的高富碳层结构时, 纤维的电阻率受整体自由碳含量与结晶性能的影响不再显著, 此时, 纤维将具有较低的电阻率. 富碳层的产生与不熔化纤维烧成时分解产生的烃类小分子的重新裂解沉积有关. 通过低温氧化除去纤维表面的富碳层可以使纤维电阻率增大. 表面结构对连续SiC纤维的电阻率大小有重要影响.     

短切PAN基碳纤维导电沥青混合料性能试验研究

为了确定碳纤维导电沥青混合料的合理碳纤维掺量,选用短切聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为导电相材料,通过大量室内试验分析了碳纤维掺量对导电沥青混合料AC-13C的马歇尔性能和导电性能的影响,并验证了其路用性能。结果显示,相同油石比下,随着碳纤维掺量的增加,导电沥青混合料的毛体积密度、沥青饱和度和马歇尔稳定度呈先增后减的变化趋势,空隙率和矿料间隙率呈先减后增的变化关系,而流值一直增大。通过对碳纤维掺量不同范围的沥青混合料分别采用AC、调整和SMA的技术标准,确定了合理的最佳油石比,且最佳油石比与碳纤维掺量之间呈良好的半对数相关关系。同时,在最佳油石比下,导电沥青混合料电阻率的对数与碳纤维掺量之间呈良好的幂函数关系,且0.1%碳纤维掺量的沥青混合料的各项路用性能指标均达到气候条件要求高的改性沥青混合料和SMA的技术要求。因此,适宜的碳纤维掺量对导电沥青混合料可起到优良的增强作用,并形成稳定的导电网络,综合各项性能和导电发热的技术要求,建议碳纤维的适宜掺量取0.1%。     

碳纤维增强水泥复合材料的电导性能及其应用

研究了碳纤维增强水泥复合材料的电导性能, 用扫描电子显微镜(SEM ) 观察了材料产生电导渗流时的显微结构, 讨论了纤维掺量和纤维长度对电导性能的影响以及受载过程中材料电导率的变化规律。结果表明, 适当控制碳纤维的尺寸、含量, 可以明显提高材料的电导性能; 材料结构中存在电导渗流现象, 渗流阈值随受载过程而变化; 碳纤维增强水泥复合材料能够作为本征机敏材料, 反应试件受载时的应力应变关系。     

提高PAN石墨纤维插HNO3后电阻率稳定性的探讨

用阳极氧化法可以在不添加氧化剂和不使用发烟硝酸的情况下,将NO_3~-插入石墨纤维中,降低石墨纤维的电阻率.本文考察了在65％的HNO_3中阳极氧化插层和反向通电过程中,PAN石墨纤维电阻率的变化,从而证实了石墨纤维阳极氧化插层后反向通电覆镀金属的可能性.     

三维织造预制体微观结构及致密化

碳纤维预制体是碳/碳材料的骨架,致密化过程中,基体碳填充预制体孔隙形成碳/碳复合材料。为探索碳纤维预制体微观结构与致密化的关系,以3种三维织造预制体为研究对象,通过金相显微镜观察预制体微观结构,建立预制体理论结构数字化模型,计算对比孔隙率情况后获得预制体中不同类型孔隙的体积含量,研究孔隙结构对化学气相沉积致密化效率的影响。研究结果表明:三维织造预制体中孔隙呈周期性重复排列,XY向纤维层间距、Z向纤维间距越小,预制体中纤维体积含量越高;预制体中孔隙主要由纤维束内孔隙和X,Y,Z向纤维束包围的束间孔隙构成;预制体中的孔隙大小和分布影响致密化效率,孔隙率高的预制体在致密化前期增密速率快,孔隙结构均匀的预制体在致密化后期增密速率快。