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碳纤维复合材料、石墨烯复合材料的知识盘点!
作者:西安鼎天化工有限公司:2020/12/26 12:06:24

复合材料(Composite materials),是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。



复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用,代替了很多传统的材料。(如:混凝土的抗拉强度较低,通常只有抗压强度的十分之一左右,任何显著的拉弯作用都会使其微观晶格结构开裂和分离从而导致结构的破坏。而绝大多数结构构件内部都有受拉应力作用的需求,故未加钢筋的混凝土极少被单独使用于工程。


钢筋砼相较混凝土而言,钢筋抗拉强度非常高,一般在200MPa以上,故通常人们在混凝土中加入钢筋等加劲材料与之共同工作,由钢筋承担其中的拉力,混凝土承担压应力部分。)


复合材料的分类


复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。



复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。


复合材料按其结构特点又分为:1、纤维复合材料,将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。2、夹层复合材料,由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄;芯材质轻、强度低,但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。3、细粒复合材料,将硬质细粒均匀分布于基体中,如弥散强化合金、金属陶瓷等。4、混杂复合材料,由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。


与普通单增强相复合材料比,其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显着提高,并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。


结构复合材料是作为承力结构使用的材料,基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等,基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增强体和不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料,并以所用的基体来命名,如高聚物(树脂)基复合材料等。


结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计,更重要是还可进行复合结构设计,即增强体排布设计,能合理地满足需要并节约用材。



功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成,基体不仅起到构成整体的作用,而且能产生协同或加强功能的作用。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如:梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料(具有感觉、处理和执行功能,能适应环境变化的功能复合材料)、仿生复合材料、隐身复合材料等。复合材料也可分为常用和先进两类。


常用复合材料如玻璃钢,便是用玻璃纤维等性能较低的增强体与普通高聚物(树脂)构成。由于它的价格低廉,得以大量发展,已广泛用于船舶、车辆、化工管道和贮罐、建筑结构、体育用品等方面。


为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要,先后研制和生产了以高性能纤维(如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等)为增强材料的复合材料,其比强度大于4×106厘米(cm),比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别,将这种复合材料称为先进复合材料。它们的性能虽然优良,但价格相对较高,主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品等。


按基体材料不同,先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250~350℃、350~1200℃和1200℃以上。


复合材料的发展历史


复合材料是由不同元素组成的结构,结果是形成了一加一等于三。对于复合材料的理解,貌似昆虫、鸟和蝙蝠等动物比我们要理解的更透彻一些,它们将这个原理应用到筑窝的过程中,以防天敌的攻击。原始人用动物粪便、粘土、稻草和树枝组成复合材料结构,这是人类将复合材料应用到生活中具有历史意义的一步。甚至据人们传说,圣经中的诺亚方舟也是由煤沥青和稻草混合制成的,这也许真的是被报道出的复合材料船舶的鼻祖,当然这也仅是传说。


1847年


瑞典化学家Berzelius,这位现代化学的奠基人之一,首次在实验室发明了饱和聚酯。


1894年


Vorlander在实验室着手对乙二醇马来酸的研究工作,成为记录在案最早的一位研究不饱和聚酯树脂的化学家。


1920年


先锋人物Wallace Carothers开始对乙二醇与不饱和脂肪酸合成的聚酯的研究工作。


1922年


首个聚酯树脂被研发成功。


1930年末


研究人员Bradley, Kropa 和Johnson三人共同研究不饱和聚酯的固化情况,在报告中提高,固化后,它们可以分为可熔性和不可溶性(热固性)。


1935年


欧文斯科宁(Owens Corning)首次引入玻璃纤维。


1941年


不饱和聚酯首次投入美国的压铸商业市场。


1942年


美国橡胶公司开发出玻璃纤维增强聚酯树脂作为基体的复合材料。


1946年


船艇制造商开始意识到纤维增强复合材料为整个工业带来了何种变革,在这年中首个复合材料船身的游艇在美国建成,还首次引入了冷固化系统。


1950年


早期闭模工艺开发完成。


1951年


中期不饱和聚酯树脂在欧洲投入商业化生产。


1963年


碳纤维增强材料引入市场。


19世纪


随着科学技术在物理化学领域的应用,自然界中的天然聚合物的性能已经不能满足工业发展对材料性能的需要,这使当时的新型材料-早期的复合材料得到飞速的发展。


碳纤维复合材料


碳纤维增强树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、碳纤维为增强材料,通过复合工艺制备而成,具有明显优于原组分性能的一类新型材料”。它具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计一性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点,已经成为最重要的航空结构材料之一。


碳纤维增强树脂基复合材料所用基体树脂主要分为两大类,一类是热固性树脂,另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团高分子量聚合物组成,成型过程中,在固化剂或热作用下进行交联、缩聚,形成不熔不溶的交联体型结构。常用的有环氧树脂、酚醛树脂、双马来亚酞胺树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成,在一定条件下溶解和熔融,只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚醚醚酮等。


常见碳纤维材料品种:


1、碳纤维增强陶瓷基复合材料


陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性,广泛应用于工和民用产品。但是,它的致命弱点是脆性大,并且对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料,因其具有优良的高温力学性能,在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。


2、碳/碳复合材料


碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成,即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能,除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外,还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中,强度高、不熔不燃,仅是均匀烧蚀.这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头,固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领。


3、碳纤维增强金属基复合材料


碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维,金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比,具有高的韧性和耐冲击性能。金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等。其中,碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层,以防止在复合过中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降.目前,在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等,但因其过程复杂、成本高,限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。


4、碳纤维增强水泥基复合材料


将碳纤维加人到水泥基体中即制成碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Ce-ment Compoistes,简称CFRC),称纤维增强混凝土。在水泥基材料中掺入高强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂、抗渗、抗剪强度和弹性模量,控制裂纹扩展,提高耐强碱性,增强变形能力的重要措施。


此外,碳纤维还具有震动阻尼特性,可吸收震动波,使防地震能力和抗弯强度提高十几倍。更为可贵的是,碳纤维具有导电性,将其加入到水泥基体中,赋于水泥基体智能性,极大地扩大了混凝土的应用范围。


CFRC复合材料在承受负荷时表面不产生龟裂,其抗拉强度和抗弯强度、断裂韧性比不增强的高几倍到十几倍,其冲击韧性也相当可观。短切碳纤维增强水泥所用碳纤维的长度一般为3一6nm,直径为7一20μm,抗拉强度范围在0.5一0.8GPa。普通水泥的强度通常为11.76MPa,若按重量掺入15%的碳纤维,其强度可达到245MPa;若掺人量为20%时,强度可高达548.8MPa。


此外,与普通混凝土相比,CFRC具有质轻、强度高、流动性好、扩散性强、成型后表面质量高等优点,将其用作隔墙时,比普通混凝土制作的隔墙薄1/2~1/3,重量减轻1/2一1/3。CFRC有多种规格,其中短切碳纤维增强混凝土主要用在屋面、外墙、内墙、地面、天棚等方面;长纤维混凝土用在承重构件方面,由它制成的构件尺寸稳定,同时还具有防静电性、耐磨耗、耐腐蚀等性能,因此,CFRC性能的研究近年来发展迅猛。


石墨烯复合材料


石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍,同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。但是,石墨烯很难作为单一原料生产某种产品,而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合,从而获得具有优异性能的新型复合材料。



石墨烯负载的复合材料:在石墨烯表面引入第二组分并在其表面进行外延伸展得到的复合材料。石墨烯包裹的复合材料:用石墨烯片将第二组分包裹得到的复合材料,可以更有效地防止第二组分的聚合。



石墨烯内嵌的复合材料:将石墨烯纳米片作为填充物充分分散在第二组分的基体相中得到的复合材料。其中,基体相可以是纳米材料,也可以是块体材料组成。基于石墨烯的层状复合材料:将第二组分和石墨烯片交替堆积而成,该结构可以使石墨烯与第二组分的接触面积最大化,并有利于电子的产生、传输和分离。


石墨烯基复合材料的分类


石墨烯具有诸多优异的性能,如导电导热性好、韧性好、比表面积大等等,这些性能使得石墨烯基复合材料呈现出许多优异的特性。如以石墨烯为载体负载纳米粒子,可以提高这些粒子的催化性能、传导性能;利用石墨烯较好的韧性,将其添加到高分子中,可以提高高分子材料的机械性能和导电性能。按第二组分的不同,可将石墨烯复合材料分为石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。


1、石墨烯-纳米粒子复合材料


纳米粒子独特的物理化学性质引起纳米科学工作者的极大兴趣,但寻找合适的载体成为纳米粒子广泛应用的一个难题。石墨烯与其他碳材料(碳纳米管、富勒烯等)相比,表现出优异的电学、光学等物理化学性质,以及有较低的制备成本,使得石墨烯成为了纳米粒子的潜在载体。由于片层间范德华力的作用,石墨烯往往存在着不可逆的团聚现象,而存在于石墨烯层间的纳米粒子正好起到分离邻近石墨烯片层、 防止发生团聚的作用。近年来,人们创造性地将石墨烯与纳米粒子复合起来,形成了一个新的研究领域。


2、石墨烯-聚合物复合材料


之前已经有许多关于碳基材料-聚合物复合材料的报道,特别是基于碳纳米线、碳纳米管和富勒烯-聚合物复合材料的研究,作为碳材料家族独特的一员,石墨烯同样可以作为添加材料或载体与聚合物进行复合。石墨烯由于其独特的结构和性能,在改善聚合物的热性能、力学性能和电性能等方面具有相当大的应用价值。


3、石墨烯-碳基材料复合材料


石墨烯除了能够和纳米粒子、高聚物复合外,还可以与其他碳基材料(碳纳米管、富勒烯等)组装形成复合材料,这些碳基材料可以相互组合而呈现出一些优越的性能。


石墨烯复合材料的应用


1、在催化领域的应用


由于石墨烯具有优异的导电性、导热性和结构稳定性等性能,并具有改性担载金属催化剂的作用,使得石墨烯基催化剂拥有了许多特殊的催化活性。



2、在电化学领域的应用


为了得到高比容超级电容器,一些研究组设计合成了多种石墨烯复合材料,并将其应用于电极材料,如:聚苯胺/石墨烯、MnO2/石墨烯等。但是石墨烯易发生团聚而不能有效利用,这也是石墨烯在电化学领域广泛应用的一个难题。


3、在生物医药领域的应用


石墨烯的部分双键被氧化以后转化为石墨烯氧化物,其所携带的羟基、羧基、环氧基、羰基等亲水性官能团,让石墨烯氧化物可以在水溶液或生理溶液中稳定存在,具有较高的水溶性,有望像溶液一样适应于静脉注射;另外,石墨烯还具备低毒性、比表面积大等特点,在药物载体中有潜在的应用价值。目前石墨烯复合材料在生物医药领域的应用存在载药种类少和治愈范围小等缺点,其负载抗癌药物主要为盐酸阿霉素、三苯氧胺柠檬酸盐和喜树碱类等,未来可将石墨烯复合物应用于蛋白和基因药物靶向运输和治疗等更深层次方面。


4、在含能材料领域的应用


炸药在国防、民用等各个领域都是不可替代的,所以它的安全性是很重要的,既要能稳定的存在又要便于检测。而石墨烯具有一定的钝感性和导电导热性,在含能材料领域有一定的应用价值,目前主要体现在炸药传感器和包覆降感上。


文章来源:化工最前沿


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