碳纤维表面碳涂层的水热制备及机理研究.pdf

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1、硕士学位论文碳纤维表面碳涂层的水热制备及机理研究STUDYONTHEHYDROTHERMALPREPARATIONANDGROWTHMECHANISMOFCARBONCOATINGONCARBONFIBER宋俊涛哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：666.3密级：公开工程硕士学位论文碳纤维表面碳涂层的水热制备及机理研究硕士研究生：宋俊涛导师：胡平副教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业

2、大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:666.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHEHYDROTHERMALPREPARATIONANDGROWTHMECHANISMOFCARBONCOATINGONCARBONFIBERCandidate：JuntaoSongSupervisor：AssoiatedProf.PingHuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciali

3、ty：MaterialEngineeringAffiliation：CenterforCompositeMaterialsandstructureDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要自碳纤维问世以来，其高比强度、高比模量及耐高温等优异性能备受人们关注。在复合材料制备过程中，碳纤维与基体材料发生反应并引起碳纤维的衰退，不能充分发挥其优异性能。在碳纤维表面制备碳

4、涂层可以抑制碳纤维的损伤，同时还可以调控纤维与基体间的界面。针对传统制备碳涂层工艺所面临的成本较高、生产周期较长等问题，本文提出了一种采用价格低廉的葡萄糖作为碳源，利用操作简便的水热反应制备碳纤维表面碳涂层的方法，该方法具有成本低、生产周期短、绿色环保等优点。因此开展葡萄糖水热反应制备碳纤维表面碳涂层的研究具有十分重要的意义。在水热反应过程中溶液pH值、反应温度、反应时间、溶液浓度及反应次数等工艺参数对涂层质量有重要影响。当pH＞3时，制备的涂层表面有球状粘附物，其中pH为7时涂层厚度为200nm左右，球状物尺寸

5、为900nm左右。pH＜2时，涂层光滑连续，涂层厚度约1μm；揭示出反应时间与反应温度存在阈值；实现了涂层厚度的按需调控，溶液浓度从6wt.%增加至30wt.%时，涂层厚度逐渐增加至1.7μm，经5次反应后涂层厚度增加至3μm左右。研究了反应后固相产物及液相产物的理化性质，揭示了强酸催化葡萄糖异构化为果糖，并且进一步促进果糖转化为5-羟甲基糠醛的转化机理；建立了水热反应中形核长大与涂层生长的联系，葡萄糖溶液pH为1时反应会发生多次形核，当有异相碳纤维存在时更容易发生异质形核长大，最终形成光滑涂层，而pH为7时会发

6、生单次形核，很难优先发生异质形核长大，最终涂层表面形成球状粘附物，且其组分与涂层组分相同。通过水热固相产物间接研究涂层的组成成分，其主要成分为聚5-羟甲基糠醛及其包裹的乙酰丙酸，不含有任何自由碳结构。元素分析表明反应后碳含量从40wt.%提升至67.94wt.%，且其表面碳含量大于内部。碳含量随着水热反应时间及温度的增加而增加，随着反应葡萄糖的浓度增加而降低。水热固相产物在热处理过程中出现130℃-250℃、250℃-750℃的两个明显的失重区间，最终总残留质量为47.1%。在热处理过程中涂层表现为均匀收缩且不发

7、生破坏。结构分析表明有机物质转变为自由碳结构，且其碳含量及石墨化程度随处理温度升高而升高。关键词：碳纤维；碳涂层；水热反应；葡萄糖-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractSincetheadventofcarbonfiber,itsoutstandingpropertiessuchashighspecificstrength,highspecificmodulusandhightemperatureresistancehaveattractedmuchattention.Duringtheprepar

8、ationofcompositematerials,thereactionbetweencarbonfiberandmatrixmaterialswillcausethedegrationofcarbonfiber,whichcannotgivefullplaytotheexcellentpropertiesoffibers.Carboncoatingonthesurfa