合金镀层对碳纤维催化石墨化研究

论文摘要

碳纤维是一种新型的高性能增强材料,它具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨胀、耐化学辐射和良好的生物相容性等特性。主要用作树脂、碳、金属、陶瓷、水泥基复合材料的增强体,在航空航天、汽车工业、土木建筑、文体器材、医疗器材等方面应用非常广泛。而碳纤维表面金属化可进一步拓展其应用范围。碳纤维石墨化后其性能得到极大增强,但较高的热处理温度一直是影响石墨纤维价格的主要因素。通过添加催化剂可以降低热处理温度使得碳纤维石墨化过程更加容易进行。而如何添加催化剂一直是研究的热点。碳纤维催化石墨化研究一般都集中在单元素催化,而对于多元催化研究甚少。本文针对以上问题,研究并开发了碳纤维表面电沉积合金工艺,并就碳纤维表面电沉积合金催化剂对其催化石墨化进行了深入的探讨。研究工作主要包括以下几个方面:1.研究了碳纤维表面电沉积Ni-B合金工艺,结果表明碳纤维的预处理、镀液组分以及电解参数对沉积速度及镀层质量有明显的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）对镀层的微观形貌、结构及组分进行了分析,结果表明在确定的电镀条件下可获得镀层中B的质量分数为0.8%～4%的Ni-B微晶镀层,且镀层细致、均匀、致密、结合力好。2.研究了碳纤维表面电沉积Ni-B合金对其催化石墨化的影响。将镀有含B质量分数为4%的Ni-B合金的碳纤维和碳纤维原丝在不同温度下热处理,通过XRD、激光拉曼（Raman）光谱、SEM对其结构进行分析,结果表明:有Ni-B催化剂的碳纤维在较低的热处理温度下能获得较高的石墨化度,而碳纤维原丝即使在很高的热处理温度下石墨化程度也很低,Ni-B合金对碳纤维有很好的催化石墨化效果。改变镀层中B含量,在相同温度下热处理,研究结果表明:随着镀层中B含量的增加,碳纤维石墨化程度相应增大,Ni和B有很好的协同催化效果。另外,还对Ni-B合金的催化石墨化机理进行了探讨。3.研究了碳纤维表面电沉积Fe-P合金对其催化石墨化的影响。将镀有含P质量分数为7%的Fe-P合金的碳纤维在不同温度下热处理,通过XRD、Raman光谱、SEM对其结构进行分析,结果表明:碳纤维在较低的热处理温度下能获得很高的石墨化度,随着热处理温度的增加,碳纤维石墨化度相应增大,Fe-P合金对碳纤维有很好的低温催化石墨化效果。改变Fe-P合金中P的含量,在相同温度下热处理,研究结果表明:随着镀层中P含量的增加,碳纤维石墨化程度相应增大。改变Fe-P合金催化剂的沉积时间,在相同温度下热处理,研究结果表明:随着沉积时间的增加,碳纤维石墨化程度逐渐增大。而当催化剂达到一定的量后,其石墨化程度基本不变。另外,还对Fe-P合金的催化石墨化机理进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 碳纤维概述
• 1.1.1 碳纤维起源与发展
• 1.1.2 碳纤维的种类
• 1.1.2.1 聚丙烯腈基碳纤维
• 1.1.2.2 沥青基碳纤维
• 1.1.2.3 黏胶基碳纤维
• 1.1.3 碳纤维的结构与性能
• 1.1.4 碳纤维的应用
• 1.1.4.1 宇航工业
• 1.1.4.2 航空工业
• 1.1.4.3 运动器械
• 1.1.4.4 建材土建
• 1.1.4.5 汽车与机械工业
• 1.1.4.6 化学工业
• 1.1.4.7 电子电器产品
• 1.1.4.8 医疗器械
• 1.2 碳纤维表面金属化
• 1.3 碳纤维石墨化
• 1.3.1 碳纤维催化石墨化
• 1.3.1.1 硼的催化石墨化
• 1.3.2 碳纤维石墨化度表征
• 1.3.2.1 X 射线衍射法
• 1.3.2.2 激光拉曼光谱法
• 1.3.2.3 磁阻法
• 1.4 课题选择的意义和内容
• 第2章 碳纤维表面电沉积NI-B 合金工艺的研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验材料及药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 实验方法
• 2.1.3.1 预处理及电镀
• 2.1.3.2 镀层性能的测试
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 碳纤维镀前处理对镀层性能的影响
• 2.2.2 镀液成分及浓度对沉积速度的影响
• 2.2.3 工艺条件对沉积速度的影响
• 2.2.4 硼氢化钾浓度对镀层中B 含量的影响
• 2.2.5 镀层形貌分析
• 2.2.6 镀层结构分析
• 2.2.7 镀层结合力
• 2.3 小结
• 第3章 NI-B 合金镀层对碳纤维催化石墨化的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验材料及药品
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 Ni-B 合金镀层的制备
• 3.1.4 热处理
• 3.1.5 表征测量
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 Ni-B 合金催化剂组成
• 3.2.2 温度对碳纤维催化石墨化的影响
• 3.2.2.1 XRD 研究结果
• 3.2.2.2 Raman 光谱研究结果
• 3.2.3 镀层中B 含量对催化石墨化效果的影响
• 3.2.3.1 XRD 研究结果
• 3.2.3.2 Raman 光谱研究结果
• 3.2.4 Ni-B 合金催化剂的催化石墨化机理
• 3.3 小结
• 第4章 FE-P 合金镀层对碳纤维催化石墨化的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验材料及药品
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 电极的制备
• 4.1.4 碳纤维表面Fe-P 合金催化剂的制备
• 4.1.5 热处理
• 4.1.6 表征测量
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 Fe-P 合金催化剂制备
• 4.2.2 温度对Fe-P 合金催化石墨化的影响
• 4.2.2.1 XRD 研究结果
• 4.2.2.2 Raman 光谱研究结果
• 4.2.3 Fe-P 合金中P 含量对催化石墨化的影响
• 4.2.3.1 XRD 研究结果
• 4.2.3.2 Raman 光谱研究结果
• 4.2.4 Fe-P 合金电沉积时间对催化石墨化的影响
• 4.2.4.1 XRD 研究结果
• 4.2.4.2 Raman 光谱研究结果
• 4.2.5 Fe-P 合金催化剂的催化石墨化机理
• 4.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢