纳米碳纤维及其复合材料
纳米碳纤维及其在聚合物中的应用,2005,!
玻璃钢/复合材料FRP /C M 2005.No .3收稿日期:2004209225基金项目:国家863项目资助(2003AA305920)作者简介:陈红燕,(19792),女,硕士。
纳米碳纤维及其在聚合物中的应用陈红燕,王继辉(武汉理工大学,湖北武汉 430070)摘要:纳米碳纤维/聚合物复合材料是近年来的热点研究领域。
本文简要介绍了纳米碳纤维的几种制备方法及纳米碳纤维/聚合物复合材料的应用前景,讨论了纳米碳纤维在聚合物中的分散、取向和界面相互作用对复合材料性能的影响,介绍了加入纳米碳纤维赋予聚合物光电性能和目前尚待研究的一些问题。
关键词:纳米碳纤维;制备方法;复合材料中图分类号:T Q342+.742 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2005)03-0041-031 前 言1985年发现的碳家族中的C 60等富勒烯以及1991年发现的纳米碳管所表现出的优异性能引起了科学家们的广泛兴趣。
尤其是纳米碳管,其独特的结构特征使之表现出奇异的力学、电学和磁学等性质,可望在纳米电子器件、储能、场发射与平板显示、导电和电磁屏蔽、结构增强等众多领域获得广泛应用。
纳米碳纤维(C NF )是直径介于纳米碳管及普通碳纤维之间的准一维碳材料。
一般而言,纳米碳纤维的直径约为50～200n m,但目前小于100n m 的中空状纤维也称为纳米碳管。
纳米碳纤维具有较高的强度和杨氏模量,较好的导电、导热及热稳定性以及极好的表面尺寸效应等,因而受到了人们极大的关注。
现在市面上常见的纳米碳纤维是通过气相生长法制备的,从有机化合物分解出的催化剂颗粒分布在三维空间内,催化剂挥发量可直接控制,因此其单位时间内产量较大,可连续生产,较纳米碳管更易实现工业化生产。
气相生长纳米碳纤维是在过渡金属(如Fe 、Co 、N i 或其合金)的催化作用下,由低碳氢化合物在氢气做载气的情况下高温裂解生成的具有高比强度、高比模量、高结晶取向度、高导电、导热等性能的新型碳材料。
碳纤维及其复合材料的优劣势解析
基于多层次图像分割与融合的物体识别技术研究摘要：物体识别在计算机视觉领域中具有重要的应用价值，然而由于图像中的物体存在不同的尺度、复杂的背景以及变化的光照条件等因素，仅仅依靠传统的图像分割方法往往无法准确地实现物体的识别。
因此，本文提出了一种基于多层次图像分割与融合的物体识别技术，通过分析图像中的不同层次特征并将它们融合起来，以提高物体识别的准确性和稳定性。
实验证明，该方法在不同数据集上具有较好的性能，在物体识别任务中具有广泛的应用前景。
关键词：物体识别；图像分割；层次特征；融合技术1. 引言物体识别是计算机视觉领域中的一个重要研究方向，它可以应用于图像检索、自动驾驶、机器人导航等众多领域。
然而，由于图像中的物体存在尺度、光照条件和背景等方面的差异，对于物体的准确识别仍然是一个挑战性的问题。
传统的图像分割方法通常在像素级别对图像进行分割，忽略了物体的层次结构信息。
因此，本文提出了一种基于多层次图像分割与融合的物体识别技术，旨在有效地提高物体识别的准确性和稳定性。
2. 方法2.1 图像分割在物体识别任务中，图像分割是关键的一步，它可以将图像中的物体与背景进行有效地分离。
本文采用了一种基于超像素分割的方法，通过将图像分割成多个连续的区域，即超像素，来获取图像的局部特征。
该方法能够有效地减少图像噪声对分割结果的影响，并提高物体边界的准确性。
2.2 层次特征提取为了充分利用物体的层级结构信息，本文提出了一种基于卷积神经网络（CNN）的层次特征提取方法。
该方法通过设计多个不同尺度的卷积网络，分别提取图像的细节特征和整体特征。
同时，我们还引入了感兴趣区域（ROI）的概念，将ROI与不同层级的特征进行融合，以提高物体识别的准确性。
2.3 特征融合在物体识别任务中，特征融合是一个重要的步骤，它能够充分利用不同层次特征的信息，提高物体识别的准确性。
本文采用了一种基于注意力机制的特征融合方法，即通过分析不同层次特征的权重，将它们融合成最终的物体特征表示。
碳纤维及其复合材料
碳纤维及其复合材料碳纤维具有优秀的力学性能，比强度高，比重轻，具有优异的抗拉、抗压和抗弯强度。
它的比强度约为钢铁的10倍，比重则只有钢铁的1/4、这使得碳纤维特别适用于高强度和轻量化要求较高的领域，如航空航天、航空发动机、车辆轻量化等。
此外，碳纤维还具有良好的耐腐蚀性、热稳定性和低热膨胀系数，使其在高温环境下能够保持较好的性能。
碳纤维的制备主要有干法和湿法两种方法。
干法制备主要是通过将聚丙烯腈(PAN)等聚合物纤维进行氧化、碳化处理制成。
湿法制备则是通过炭化纤维进行碳化处理得到碳纤维。
无论是干法还是湿法制备，都需要在高温下进行炭化处理，通常在1000℃以上。
碳纤维的复合材料是将碳纤维与树脂等基体材料复合而成的材料。
碳纤维复合材料综合了碳纤维的高强度和树脂的良好的塑性和可加工性，具有更优越的性能。
常见的碳纤维复合材料有碳纤维增强聚合物复合材料、碳纤维增强陶瓷基复合材料以及碳纤维增强金属基复合材料。
碳纤维复合材料在航空航天领域中的应用广泛。
例如，制造飞机的机身、机翼等部件时，碳纤维复合材料可以替代传统的金属材料，实现减重和提高结构强度的目的。
而在汽车行业，碳纤维复合材料的轻量化优势可以提高汽车的燃油经济性，降低碳排放量。
此外，碳纤维复合材料还广泛应用于体育器材、建筑领域等。
然而，碳纤维及其复合材料也存在一些问题和挑战。
首先，碳纤维复合材料的成本较高。
由于制备工艺的复杂性和原材料的昂贵性，使得碳纤维复合材料的成本较高，限制了其在一些领域的应用。
其次，碳纤维复合材料的环保性仍然是一个问题。
目前，碳纤维的废弃物处理和回收利用仍然存在一定的困难。
综上所述，碳纤维及其复合材料是一种具有优异性能的材料，在航空航天、汽车、体育器材等领域有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步，碳纤维复合材料的制备工艺和成本将得到进一步改善，有望在更多领域发挥重要作用。
碳纤维及其复合材料讲解
碳纤维及其复合材料讲解引言碳纤维是近年来广泛应用于各个领域的一种先进材料，它具有低密度、高强度、高模量、耐热性等优异的性能，在航空航天、汽车、体育器材等领域有着重要的应用。
本文将对碳纤维及其复合材料进行深入讲解，介绍其结构、特性以及应用领域。
碳纤维的结构和制备方法碳纤维是由碳元素组成的纤维状材料，其结构由纯净的碳元素构成，具有高度有序的晶体结构。
碳纤维的制备方法主要包括聚丙烯纤维炭化法、聚丙烯纤维长丝法和聚丙烯纤维溶胶纺丝法等。
其中，聚丙烯纤维炭化法是最常用的方法，它通过将聚丙烯纤维经过预处理后进行高温炭化，得到纯净的碳纤维。
碳纤维复合材料的制备及特性碳纤维复合材料是将碳纤维与树脂基体进行复合制备而成的一种材料。
它具有轻质、高强度、高模量、耐腐蚀等多种特性。
碳纤维复合材料的制备工艺主要包括预浸法、自动定型法和预浸层叠法等。
其中，预浸法是最常用的方法，它通过将碳纤维预先浸渍于树脂中，然后进行固化和压制，最终得到具有预定形状和性能的复合材料。
碳纤维复合材料具有优异的力学性能，其强度和刚度远远超过许多传统材料。
它还具有良好的耐热性和耐腐蚀性能，在高温和恶劣环境下能够保持较好的性能。
此外，碳纤维复合材料还具有良好的阻尼性能，能够吸收和分散冲击能量，提高结构的抗震能力。
碳纤维及其复合材料的应用领域碳纤维及其复合材料在各个领域都有广泛的应用。
在航空航天领域，碳纤维复合材料被广泛应用于飞机、卫星等结构中，以减轻重量并提高飞行性能。
在汽车领域，碳纤维复合材料能够替代传统金属材料，减少车身重量，提高燃油经济性。
在体育器材领域，碳纤维复合材料制成的高尔夫球杆、网球拍等器材具有轻盈、刚性等优势，提高了运动员的表现。
此外，碳纤维复合材料还广泛应用于建筑、能源、电子等领域。
在建筑领域，碳纤维复合材料能够替代传统的钢筋混凝土，提高结构的抗震性能。
在能源领域，碳纤维复合材料被用于制造风力发电叶片、太阳能电池等设备，提高能源转换效率。
功能复合材料的主要类型及其应用
功能复合材料是指将不同类型的材料结合在一起，以发挥多种特定功能的材料。
以下是一些常见的功能复合材料类型及其应用：
1. 碳纤维复合材料（CFRP）：
-特点：高强度、轻质、耐腐蚀、高刚性。
-应用：航空航天、汽车工业、体育器材、建筑结构等领域。
2. 碳纳米管复合材料：
-特点：高强度、优异导电性、热导性、机械性能。
-应用：电子器件、传感器、导电涂料、储能装置等领域。
3. 陶瓷基复合材料：
-特点：高温稳定性、硬度高、耐磨损、耐腐蚀。
-应用：热障涂层、高温结构部件、耐磨材料等领域。
4. 纳米复合材料：
-特点：具有纳米尺度的特殊性能，如增强力、导电性、光学性能等。
-应用：电子器件、光电子器件、医疗设备、环境传感器等领域。
5. 高分子复合材料：
-特点：轻质、可塑性好、耐化学腐蚀。
-应用：航空航天、汽车工业、建筑材料、包装材料等领域。
6. 金属基复合材料：
-特点：高强度、高硬度、耐磨损、导热性能好。
-应用：航空航天、汽车工业、电子器件、机械零部件等领域。
7. 智能复合材料：
-特点：具有响应和自适应性能，在外界刺激下产生特定的响应。
-应用：智能结构、传感器、医疗器械、防护材料等领域。
这只是一些功能复合材料的常见类型及其应用领域，实际应用中还会有更多不同类型的功能复合材料出现。
功能复合材料的广泛应用为各个领域带来了新的解决方案，提高了产品的性能、效率和可持续性。
纳米碳纤维及其复合材料
力学性能
力学性能
高强度、高弹性等特点，是制备 复合材料的理想轻质增强材料。 高长径比和导电性，可用于面板 类的静电喷漆和双电层电容器电 极。 热传导性在平行于轴线与垂直于 轴线方向上表现出很大的不同， 可用于各向异性传导材料。
电学性能 热学性能
电学性能
热学性能
技术路线及实验内容
主要分类
•热丝CVD法 •模板合成法 •热蒸发CVD法
• r.c
LOGO
SEM
表征
TEM
XRD
TGA 比较纳米碳纤维与石墨的XRD图谱可以看出纳 米碳纤维在26.5°的峰处没有石墨峰尖锐，其曲线 也没有石墨的平滑，说明该产物的石墨化程度不佳 ，这与前面SEM和TEM表征得出的结果相符。
热重分析表征
SEM
表征
TEM
XRD
TGA
所得纳米碳纤维在约500℃以下几乎没有损失， 说明抗氧化能力强，当温度上升到500℃以上时，样 品质量急剧下降到不足2%，这部分损失的质量即为 纳米碳纤维的氧化所致，而剩下的不足2%的残余物 为熔点较高的催化剂及其氧化物，这说明催化剂的 活性较高。
尾气
控 温 仪
反 应 炉
技术路线及实验内容
Step3 Step1：升温并恒温阶段 ： CNF 生长阶段 Step5 Step4 Step2 ：润饰阶段 、 ：吹扫阶段 6 ：降温阶段
1
2 6
H2
40ml/min 40ml/min 20ml/min
实验步骤
3 4 5
C H 22 H4
He He
反应炉
yield/%
150 100 50 0 450 500 550 600 650 700 单镍催化剂 发生团聚烧 结现象。 750
碳纤维及其复合材料发展现状
碳纤维及其复合材料发展现状摘要：当今国际复合材料产业规模不断扩大，未来五年，来自高端企业的先进复合材料将以每年5%的速度增长。
因此，随着民营和汽车行业的快速发展，全球高碳地区的年需求增长可达10%，亚太地区的增长将继续加速。
在我国的碳纤维生产线上，碳纤维设备将比碳纤维复合材料更快被进口产品取代。
碳纤维复合材料在海洋工程、航空航天、汽车等领域具有良好的应用前景，但随着碳纤维复合材料的价格不断下降，碳纤维复合材料的应用会越来越多。
本文介绍了我国碳纤维及其复合材料的发展现状和应用。
关键词：碳纤维；复合材料；现状；应用引言随着我国整个经济的快速发展，现阶段碳纤维制造技术也在不断创新和完善，目前该领域发展稳定，有可能以更低的成本生产出更高质量的碳纤维复合材料。
碳纤维复合材料具有高强度、高弹性模量、耐高温、耐腐蚀等特点，并具有许多物理和化学优点，因此在我国广泛应用于各行业的生产和制备领域。
本文以碳纤维复合材料为研究课题，分析了碳纤维复合材料的性能，探索了碳纤维复合材料的应用路径。
1.碳纤维复合材料的性能由于碳纤维是一种以碳元素为主要成分的特殊纤维，采用含碳量高的人造化学纤维制成，经热稳定氧化处理、碳化处理、石墨化处理，使其在热处理过程中不会熔化，碳含量取决于类型，通常大于90%。
碳纤维具有一般碳材料的耐热性、耐磨性、导电性、导热性、耐腐蚀性等特性，但与一般碳材料不同，在形状、柔软性、加工性、沿纤维轴的高强度等方面表现出显着的各向异性，而且碳纤维比重小。
1.1 碳纤维的化学性质碳纤维是一种纤维状碳材料。
众所周知，碳材料是化学稳定性优异的材料之一，这是人类历史上最早发现的碳材料特征之一。
除强氧化性酸等特殊物质外，在室温和近压下几乎呈化学惰性。
即使碳纤维在低于室温250℃的环境下使用时，很难观察到碳纤维的化学变化。
据有关资料显示，在碳材料的化学特征中，在低于250℃的环境中，碳材料没有明显的氧化，也没有形成碳化物和层间化合物。
碳纤维与碳纤维复合材料
碳纤维与碳纤维复合材料碳纤维是一种由轻质高强度的碳元素组成的纳米级纤维。
由于其独特的物理和化学性质，碳纤维在各种领域得到了广泛的应用，特别是在航空航天、汽车、体育器材和建筑等领域。
同时，碳纤维也可以与其他材料进行复合，形成碳纤维复合材料，以进一步提高其性能和应用范围。
首先，碳纤维具有极高的强度和刚度。
与传统的金属材料相比，碳纤维的强度可以达到其重量的数倍。
这使得碳纤维成为制造轻量化产品的理想材料，尤其是在航空航天和汽车工业中。
通过使用碳纤维，可以减轻飞机和汽车的重量，提高燃油效率，并降低碳排放。
此外，碳纤维的高刚度也可以提供更好的结构稳定性和抗挠度，使得制造出的产品更加坚固和耐用。
其次，碳纤维具有良好的耐腐蚀性能。
与金属材料相比，碳纤维对酸、碱、盐等化学物质的抵抗能力更强。
这使得碳纤维复合材料成为一种理想的选择，以应对恶劣的环境条件和长期暴露下的腐蚀问题。
碳纤维复合材料可以在海水中长期使用而不会受到腐蚀，这使其在海洋工程、船舶和海上风电等领域中得到广泛应用。
此外，碳纤维还具有优异的导热性能和导电性能。
碳纤维可以作为导电线材和热导材料，广泛应用于电子和电气领域。
例如，碳纤维可以用于制造电池极板、传输导线和散热材料，以提高电子设备的性能和稳定性。
同时，由于碳纤维的导电性能，它还可以用于制造抗静电材料和地面静电材料，以保护电子设备和敏感元器件。
在碳纤维复合材料中，碳纤维通常与树脂等绑定材料结合使用。
树脂可以提供碳纤维所缺乏的韧性和防护能力，从而增强复合材料的整体性能。
其中，最常用的树脂是环氧树脂。
环氧树脂具有良好的粘接性能和耐久性，可以与碳纤维形成牢固的结合。
通过调整树脂的成分和结构，可以进一步改变碳纤维复合材料的性能，以满足特定的应用需求。
总的来说，碳纤维及碳纤维复合材料具有一系列独特的性能和特点，使其成为许多领域的理想材料选择。
随着技术的不断进步，碳纤维及其复合材料的应用前景也将更加广阔。
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尾气
控 温 仪
反 应 炉
技术路线及实验内容
Step3 Step1：升温并恒温阶段 ： CNF 生长阶段 Step5 Step4 Step2 ：润饰阶段 、 ：吹扫阶段 6 ：降温阶段
1
2 6
H2
40ml/min 40ml/min 20ml/min
实验步骤
3 4 5
C H 22 H4
He He
反应炉
200ml/min
180ml/min 160ml/min 160ml/min
580 580 ℃、 ℃、 升温至 30min 60min 20min 580 ℃ 恒温2h
Cu、Ni
C
20mg
技术路线及实验内容
Step5、6：降温阶段
5
6 4
H2
20ml/min
实验步骤
1 2 3
反应炉 He
200ml/min 50ml/min 180ml/min
yield/%
结论与扩展
扩展 小结
本实验主要研究了块状纳米碳纤维的制备，并对所得的产物的相 考察更多的工艺参数，如保护气和碳源的种类，进气流量等对制 备纳米碳纤维的影响，并对工艺条件进行优化。 貌及微观结构进行了表征，同时还考察不同生长时间，不同生长温 度，不同催化剂量和比例下纳米碳纤维的性能，产品差异及产率的差 异。得到了一定的成果。 本实验未对纳米碳纤维的生长机理进行过多的探讨，未能 实验表明，所得的纳米碳纤维呈螺旋状和直线状，其石墨化程度 解决纳米碳纤维在催化剂是底端还是顶端生长的问题。 不佳，但粗产品纯度较高且抗氧化能力强； 生长温度对纳米碳纤维的影响较大，当温度为600 ℃左右时能够 制备出高产率、粗细均匀的纳米碳纤维； 共沉淀法制备的Cu、Ni合金活性较高，随着生长时间的增加， 一直保持着较高的活性，使纳米碳纤维的产率也随之增加。 对于单镍催化剂，易发生团聚烧结现象，使纳米碳纤维的产率 随生长时间和催化剂用量的增加先增加后减少。
yield/%
200 150 100 单镍催化剂表 面被一层碳膜 所包裹，使其 钝化，导致产 单镍催化剂 量的增长速率 发生团聚烧 减小，当催化 结现象。 剂全部被钝化 125后，失去催化 效应，产量趋 于稳定。
50
0 5 25 45 65 85 105
Time/min Temperature/℃
催化剂量的影响
.
力学性能
力学性能
高强度、高弹性等特点，是制备 复合材料的理想轻质增强材料。 高长径比和导电性，可用于面板 类的静电喷漆和双电层电容器电 极。 热传导性在平行于轴线与垂直于 轴线方向上表现出很大的不同， 可用于各向异性传导材料。
电学性能 热学性能
电学性能
热学性能
技术路线及实验内容
主要分类
•热丝CVD法 •模板合成法 •热蒸发CVD法
• r.c
LOGO
SEM
表征
TEM
XRD
TGA 比较纳米碳纤维与石墨的XRD图谱可以看出纳 米碳纤维在26.5°的峰处没有石墨峰尖锐，其曲线 也没有石墨的平滑，说明该产物的石墨化程度不佳 ，这与前面SEM和TEM表征得出的结果相符。
热重分析表征
SEM
表征
TEM
XRD
TGA
所得纳米碳纤维在约500℃以下几乎没有损失， 说明抗氧化能力强，当温度上升到500℃以上时，样 品质量急剧下降到不足2%，这部分损失的质量即为 纳米碳纤维的氧化所致，而剩下的不足2%的残余物 为熔点较高的催化剂及其氧化物，这说明催化剂的 活性较高。
工艺参数对纳米碳纤维生长的影响
500 ℃
粗细、密度不均
主要考察 工艺参数
600 ℃
生长温度 粗细密度较均匀 生长时间
700 ℃
催化剂用量
700 ℃ 产率 =（产量 - 催化剂量）/ 催化剂量 较粗且断裂
表面00 随温度升高催化 剂活性增强，后 趋于稳定。
Cu：Ni=1：4 Cu：Ni=0：5 Cu：Ni=1：1
yield/%
150 100 50 0 450 500 550 600 650 700 单镍催化剂 发生团聚烧 结现象。 750
Temperature/℃
生长时间的影响
350 300 250 纳米碳纤维的收率随着生长时 间的增加而增加，说明催化剂 一直保持着很高的活性即催化 剂的利用率很高
Cu：Ni=1：4 Cu：Ni=0：5 Cu：Ni=1：1
冷却至 580 ℃、 冷却至 400 ℃ 20min 室温
Cu、Ni
C
20mg
实验结果表征
SEM
表征
TEM
XRD
TGA 纤维长 粗细分布 呈螺旋状和直线状
透射电镜表征
SEM
表征
TEM
XRD
TGA 从图中可以看到，石墨层不明显，且外层有 无定型碳，说明所得纳米碳纤维石墨化程度 不佳。
X射线衍射表征
Cu、Ni合 金催化剂 碳源：乙烯
载气：氢气 保护气：氦气 催化剂：Cu、Ni合金
热电偶
干燥及还原
模 具
尾气
控 温 仪
反 应 炉
技术路线及实验内容
气相生长
生长时间 催化剂量
生长温度
收率及性 能的差异
乙 烯
氦 气
氢 气
流 量 计
热电偶
碳源：乙烯 载气：氢气 保护气：氦气 催化剂：Cu、Ni合金
模 具
主要分类
• 基体法 • 喷淋法 • 流动催化法
主要分类
• 电子纺丝法
• 电弧法 • 激光烧蚀法
PE-CVD
气相生长
其他方法
技术路线及实验内容
气相生长
配制混合 溶液
共沉淀
制备块状纳 米碳纤维
Cu、Ni合 金催化剂
干燥及还原
技术路线及实验内容
气相生长
配制混合 溶液
共沉淀
乙 烯 氦 气 氢 气
流 量 计
LOGO
纳米碳纤维及其复合材料
汇报人：潘磊 指导教师：乔文明
目
研究背景
录
技术路线及实验内容
实验结果表征 工艺参数影响
结果与扩展
研究背景
纳米碳纤维(Carbon nanofibers ，简称CNF) 是化学气相生长碳纤维的一种形式，是通过裂 解气相碳氢化合物制备的一种非连续类石墨纤 维，是一种新型亚微米增强材料。