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《宁波材料所在国产高强高模碳纤维结构性能关联性研究领域取得进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2019-03-06

  • 高强高模碳纤维具有高比模量、热膨胀系数小、尺寸稳定等系列优点，是卫星和航天器的主体结构、功能结构和防护结构等不可替代的关键材料。

    中国科学院宁波材料所特种纤维事业部长期致力于国产高性能碳纤维技术研发，于2016年2月、2018年3月相继实现国产M55J、M60J高强高模碳纤维制备技术突破。

    在国产高强高模碳纤维系列化制备技术基础上，特种纤维事业部针对国产M55J级高强高模碳纤维微观结构-宏观性能关联性等领域基础科学问题开展了深入研究，通过纤维截面形貌研究发现，国产M55J高模碳纤维截面呈规则圆形，而东丽M55J碳纤维呈腰形（图1），进一步通过高温石墨化过程中纤维石墨特征结构演变机理研究发现，高模碳纤维拉伸模量与Raman光谱中无序结构D峰、石墨特征结构G峰的半高宽存在一定函数关系，D峰、G峰半高宽值越小，纤维拉伸模量越高；同时，国产M55J碳纤维拉伸强度高达4.86GPa，显著高于东丽M55J碳纤维的4.02GPa，结合该性能差异针对其微观结构研究发现，石墨微晶层间距和微晶取向是影响高模碳纤维拉伸强度关键因素，国产M55J高模碳纤维与东丽M55J碳纤维石墨微晶层间距相同，但国产M55J高模碳纤维具有更高石墨微晶取向（图2），说明高取向石墨微晶结构有利于高模碳纤维拉伸强度的提高。

    该系列研究成果发表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018, 112:111-118；Journal of Raman Spectroscopy，2019，doi.org/10.1002/jrs.5569等期刊上。

  • 原文来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=442030
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  • 《国产高强高模碳纤维：结构性能关联性研究获进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-03-08
    • 高强高模碳纤维具有高比模量、热膨胀系数小、尺寸稳定等系列优点，是卫星和航天器的主体结构、功能结构和防护结构等不可替代的关键材料。中国科学院宁波材料所特种纤维事业部长期致力于国产高性能碳纤维技术研发，于2016年2月、2018年3月相继实现国产M55J、M60J高强高模碳纤维制备技术突破。 在国产高强高模碳纤维系列化制备技术基础上，特种纤维事业部针对国产M55J级高强高模碳纤维微观结构-宏观性能关联性等领域基础科学问题开展了深入研究，通过纤维截面形貌研究发现，国产M55J高模碳纤维截面呈规则圆形，而东丽M55J碳纤维呈腰形（图1）。 " 图1 国产M55J高模碳纤维与东丽M55J纤维截面形貌对比 进一步通过高温石墨化过程中纤维石墨特征结构演变机理研究发现，高模碳纤维拉伸模量与Raman光谱中无序结构D峰、石墨特征结构G峰的半高宽存在一定函数关系，D峰、G峰半高宽值越小，纤维拉伸模量越高；同时，国产M55J碳纤维拉伸强度高达4.86GPa，显著高于东丽M55J碳纤维的4.02GPa，结合该性能差异针对其微观结构研究发现，石墨微晶层间距和微晶取向是影响高模碳纤维拉伸强度关键因素，国产M55J高模碳纤维与东丽M55J碳纤维石墨微晶层间距相同，但国产M55J高模碳纤维具有更高石墨微晶取向（图2），说明高取向石墨微晶结构有利于高模碳纤维拉伸强度的提高。 " 图2 国产M55J高模碳纤维与东丽M55J纤维石墨微晶取向对比 该系列研究成果发表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018, 112:111-118；Journal of Raman Spectroscopy，2019，doi.org/10.1002/jrs.5569等期刊上。此外，针对聚丙烯腈预氧化纤维体密度及元素含量、低-高温两段石墨化等对高模碳纤维性能的影响规律等基础研究，特种纤维事业部近期申请国家发明专利5项（申请号201810536653.x；201810431103.1；201810431101.2；201810339670.4；201810311440.7）、获授权实用新型专利2项（201820826573.3；201820536161.6）。该系列研究工作得到装备发展部领域基金重点项目（6140922010103），中国科学院先导专项（XDA17020405）等项目资助。
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  • 《宁波材料所在光热转化碳纤维用于多介质纯化方面取得进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-12-17
    • 太阳能作为一种清洁可持续的绿色能源成为近年来能源转化利用的焦点，已经被广泛应于光伏发电、光催化及光热转化等领域。其中利用光热转化原理进行海水淡化，是一种低成本、低维护的海水淡化技术。目前的光热转化材料主要有碳基材料、等离激元材料以及半导体材料等，上述材料由于其自身的物理化学稳定性，在高盐雾、高温度、高湿度以及高腐蚀等极端环境下存在应用局限，比如高盐海水（10wt%）、苦咸水、强极性有机溶剂、油水乳液等多介质的分离及纯化等。 　　为解决上述问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进功能膜团队刘富研究员设计并制备了一种具有超稳定环境耐受性的碳纤维材料，用于光热转化多介质纯化。研究团队通过水热合成技术在碳纤维表面引入稳定的碳层，提高表面粗糙度，比表面积增加到0.5m2g，在波长为200-2500nm的光吸收由改性前的89%提升到97%；并且碳化改性过程中有部分极性官能团引入，改性后的碳纤维的表面极性提高，极性表面能提高到20mM/m，使得碳纤维能够依靠纤维之间的毛细力对液体（水或者有机溶剂）进行自提取，不需要附加额外的汲取材料，简化了太阳能蒸发器件的设计。编织后的碳纤维层可直接作为汲水及光热转化层进行多种介质的纯化。 　　实验结果表明，碳化改性后的碳纤维的光热转化效率可达到92.5%，在一个标准太阳下对海水的光热转化速率达到1.47Kgm-2h-1，在五个标准太阳下光热转化速率为～5.86Kgm-2h-1，并且对高盐海水（模拟死海海水，盐浓度10wt%）具有长期稳定的脱盐效果，碳纤维蒸馏器在室外连续运行10天，每天的产水量稳定在～7Kgm-2，并保持稳定的机械强度。由于碳纤维丰富的多级纤维结构及良好的毛细汲水能力，对于高盐海水在纤维表面的结晶具有良好的溶解及自修复能力，结晶析出在碳纤维表面的盐经过一晚上静置，会重新溶解到海水中，从而不会影响碳纤维的光热转化效果。此外，改性后的碳纤维对于水包油乳液（非挥发性硅油）具有良好的去除效果，水中硅油含量可由10000ppm降低到11.9ppm；可对印染行业中含染料的有机溶剂如二甲基乙酰胺进行纯化，表现出良好的脱色及纯化效果，染料去除率达99.99%，蒸发速率为0.98Kgm-2h-1，并且可以长期耐受强极性有机溶剂二甲基乙酰胺（浸泡10天），其机械强度不发生变化。 　　上述结果表明碳化改性碳纤维材料，在多介质纯化领域具有广阔的应用前景，如高盐海水脱盐，有机溶剂脱色，油水乳液脱油等，大大拓展了目前碳纤维以及光热转化材料在溶剂纯化方面的应用领域。该成果以“Ultra-robust carbon fibers for multi-media purification via solar-evaporation”为题发表在Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/c8ta08829b)。博士生李田田和方齐乐副研究员为该论文的共同第一作者，刘富研究员为该论文的通讯作者。全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c8ta08829b#!divAbstract 　　上述研究工作得到了国家自然科学基金（51673209, 5161101025）、中国科学院青促会（2014258）、宁波市科技局（2014B81004, 2017C110034）等项目的支持，并感谢特纤事业部陈友汜研究员和博士生席先锋对该工作的大力支持，。
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