纳米碳纤维在化学电源中的应用(1)
综述
２０１１．８Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．８
收稿日期：２０１１－０３－１２
基金项目：国家自然科学基金（２１００６０７３）；上海青年科技启明星计划（１１ＱＡ１４０７２００）；化学工程联合国家重点实验室开放基金（ＳＫＬ－ＣｈＥ－０８Ｃ０７）资助
作者简介：郑俊生（１９７９—），男，浙江省人，讲师，博士，主要研究方向为新型碳材料、氢能与燃料电池技术。
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纳米碳纤维在化学电源中的应用
郑俊生1,2，张新胜2，李
平2，袁渭康2
（1.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804；2.华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海200439）摘要：作为一种新型碳基纳米材料，纳米碳纤维由于具有优异物理化学性能和可控微结构受到越来越多研究者的重视。对纳米碳纤维发现、纳米碳纤维制备和结构性能进行了论述，重点对纳米碳纤维在化学电源领域，包括在锂离子电池、燃料电池和超级电容器上的应用进行了分析和综述。关键词：纳米碳纤维；电化学；应用中图分类号：ＴＭ９１１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１１）０８－１０２８－０３
Application of carbon nanofibers in chemical power source
ZHENG Jun-sheng 1,2,ZHANG Xin-sheng 2,LI Ping 2,YUAN Wei-kang 2
(1.Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804,China;
2.State Key Laboratory of Chemical Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓａｎｏｖｅｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌ，ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ（ＣＮＦｓ）ａｔｔｒａｃｔａｌｏｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ＇ａｔｔｅｎｔｉｏｎｒｅｃｅｎｔｌｙ．Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅｄｉｓｃｏｖｅｒｙｏｆＣＮＦ，ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＣＮＦｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＮＦｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｅｌｅｃｔｒｏ－ｃｈｅｍｉｓｔｒｙｗａｓｆｏｃｕｓｅｄ，ｓｕｃｈａｓｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ，ｆｕｅｌｃｅｌｌａｎｄｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ20世纪80年代中期以来，具有优异物理化学性能和可控微结构的纳米碳纤维(Carbon Nanofibers,CNFs)受到研究者极大重视[1]。特别是与之具有类似物理化学性质的纳米碳管(Carbon Nanotubes,CNTs)发现[2]及潜在应用研究获得了令人鼓舞的成果，更激发了对CNFs 的研究[3]。目前，越来越多研究
者通过各种方法制备高质量、低成本的CNFs ，探索作为聚合物结构增强添加剂、场致发射器件、催化剂载体、高效储氢材料、电池和电极材料等方面的应用潜力[1,3]。本文简要论述了CNFs 发现和制备，重点对在化学电源的应用进行了论述。
１纳米碳纤维的发现
自富勒烯和CNTs 发现以来，涌现了碳基纳米材料的研究热潮。CNFs 发现可以追溯自1889年，
Hughes 和Chambers 首先在观察含碳气体和高温金属作用时碳纤维的存在[1]。许多重要的化学反应过程如Fisher-Tropsch 合成和水蒸气转化中都可以发现CNFs 的生长[2]。
CNFs 具有很高的机械强度，会导致催化剂破裂和失活甚至出现反应器龟裂，因此在较长时间内，对CNFs 的研究主要是为了抑制其生长。上世纪80年代以来，研究者逐渐发现CNFs 优异的物理化学性质，并将其作为一种新型的碳基纳米材料进行研究开发，在催化和材料等领域都获得了具有理论意义和实际价值的成果[4-5]。
当前，越来越多的研究者对CNFs 微结构控制，微结构调变及相关的应用等方面都在进行深入研究
[6-7]
。
２纳米碳纤维的制备和结构
CNFs 制备方法主要有电弧法、激光溅射法和含碳气体在过渡金属催化剂表面催化气相沉积法等。化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)具有得到纯度高、微结构可控和工艺可实现大规模生产等优点而备受重视。按照生长过程中催化剂运动方式的差别，主要可分为固定床法和流化床法[8]两种形式。
目前研究者广泛采用固定床反应器。固定床制备反应温度低，而且范围较宽(一般在400～900℃)，使用催化剂一般为负载型金属催化剂或者金属粉末催化剂。
近年来，为了尽可能降低制备成本，很多研究者使用工艺较为复杂的流化床反应器。De Jong 和Geus [1]认为要使CNFs 得到广泛应用，必需降低生产成本，因此流化床被认为是连续生产最理想的反应器。俄罗斯Boreskov 催化研究所[9]应用流化床技术，对连续化生产进行了尝试。国内清华大学采用流化床技术，
实现了CNTs 的工业化生产[10]；成都有机所于作龙也利用流化床技术实现了CNTs 的制备[11]。但是流化床的操作比固定床复杂，催化剂量和气体耗量都较大，因而流化床适合工业化制备而固定床适合于实验室研究。
从微结构来讲，CNFs 是一种介于石墨和C 60之间材料，可看成是具有纳米尺寸的石墨层在空间按不同的方式堆积而成。按照不同尺度标准，CNFs 的结构可分为两个层次：一是微结构即石墨层形貌及堆积方式；二是个体及其集聚体结构。CVD 合成的CNFs 通常直径在几十至200nm 之间，长度可达几个微米。这些纤维互相缠绕形成较大颗粒。微结构与其生长条件如催化剂活性组成与制备方法、含碳气体种类和温度等众多因素密切相关。对CNFs 微结构而言，主要包括石墨层空
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间堆积方式(石墨层中基面与边界面的比例)，石墨层间距d 002及CNFs 直径等方面。按照石墨层在平面截面结构的不同(以石墨层与中心轴的夹角θ
不同为基准)，最常见的三种如图1所示。管式纳米碳(Tubular Carbon Nanofibers,t-CNFs)，鱼骨式(Fish-bone Carbon Nanofibers,f-CNFs)和板式纳米碳纤维(Platelet Carbon Nanofibers,p-CNFs)。p-CNFs 的石墨烯平面垂直于纤维轴向，由于具有较大的长径比，暴露的主要为端面碳
原子。
t-CNFs 石墨卷曲的石墨烯平面平行于纤维轴向，由于其长径比较高，表现为暴露的主要是基面碳原子。f-CNFs 石墨层与纤维轴呈一定角度，可通过控制夹角达到调节其端面碳原子和基面碳原子比例。总的来说，
f-CNFs 端面碳原子和基面碳原子比例介于上述两者之间。由于CNFs 中石墨层的尺寸较小，石墨边界比例较大，因而化学性质与石墨存在着差异，并且不同石墨层堆积方式会导致不同性质。
３ＣＮＦｓ在电化学领域中的应用
由于独特的结构和物理化学性能，CNFs 在催化[12]、复合材料增强剂[13]和场致发射器件[14]等方面受到了广泛重视。在复合材料方面主要是利用其良好的导电性能和聚合物优秀的键合作用，形成性能独特的新型材料；场致发射器件主要应用它特殊的电子结构和较大的长径比。在催化方面，
主要利用其具有大比表面、独特的电性能、机械强度高和表面可修饰等特性。由于它具有较为优异的稳定性能，很好的导电性和较好的电催化性能，使其在电化学方面有广阔的应用潜力，目前在锂离子电池、燃料电池和超级电容器等方面有较多的研究和报道。
３．１锂离子电池
在锂离子电池中主要应用在负极材料。目前的锂离子的负极材料主要有：石墨化碳材料、无定形碳材料、氮化物、硅基材料和纳米氧化物等。CNFs 的优势是具有规整的d 002孔道和较小的直径。规整的d 002孔道有利于锂离子迁入和迁出，并可以让锂离子在孔道内储存。同时，
CNFs 直径较小(一般在50nm 左右)，使锂离子迁入和迁出距离较短，可以减少锂离子的能量损耗。由于锂离子电池对负极材料要求要有较好孔道结构，使锂离子可以自由迁入和迁出，所以一般都用p-CNFs 。
Charles [15]对比研究了纳米材料在锂离子电池中的应用。一般来说，由于纳米材料有利于锂离子扩散，所以应用纳米材料的锂离子电池有较好的容量和性能。对与CNFs 电极，锂离
子在轴向扩散一般不超过50nm ，这使得电池的容量大大提高。Yusuke [16]在直径为10～500nm ，长度1000nm 以内的CNFs 上负载金属/金属氧化物，将此作为锂离子电池负极材料。Wang 等[17]发现CNFs 结构对其电化学嵌锂容量和充放电循环寿命起重要影响，制备温度越低，CNFs 的石墨化程度越差，可逆嵌锂容量相应越高。
同时，为了增强电池的容量，很多研究者对CNFs 进行了修饰。
Yusuke 等[18]在CNFs 上涂一层无定形碳作锂离子电池的负极。使用p-CNFs ，直径在10～500nm ，长度大约为100nm ，石墨层与层之间距离为0.3356～0.3450nm 。
Arai 等[19]在CNFs 上均匀负载上金属作为锂离子电池的负极材料。Yoon 等[20]以
高度石墨化CNFs 作为锂离子电池负极材料。以Fe 为生长催化剂，经过CVD 得到d 002为0.3363～0.3381nm 的CNFs ，它在低电位范围就有297～431mAh/g 的比容量。但限制其应用的一个主要原因是第二次扫描的循环效率只有第一次的60%。对CNFs 进行进一步石墨化处理，可以得到边角密闭的结构，其比容量可以达到367mAh/g ，但循环效率还是没有改善。
３．２燃料电池
近年来，由于能源和环境问题日益突出，可以突破卡诺循环限制直接把化学能转化为电能的燃料电池受到各国政府、产业界和研究者的重视。在燃料电池方面，主要利用其独特的结构和物理化学性能，在CNFs 上负载Rt 、Ru 、Pd 、Mo 等金属或合金作为燃料电池催化剂载体。
CNFs 作为燃料电池电催化剂载体的一个重要优势在于其微结构对负载金属性能有重要影响。这主要包括载体和金属的结合力和电子特性两方面。载体与金属的结合力对金属与载体
表面结合状态起着决定性影响。目前公认石墨基面同沉积金属之间的作用力较弱，可能只以范德华力结合；富勒烯性质较活泼，可以同金属形成化学键。对于p-CNFs 、f-CNFs ，裸露石墨片边缘，其性质较活泼，利于金属成核生长。而t-CNFs 为石墨片卷曲，暴露弯曲的石墨基面为非平面的sp 2结构。
Lukehart 等[21]研究了在CNFs 上负载Pt-Ru 和Pt-Mo 作为甲醇直接氧化燃料电池。Bessel 等[4]利用甲醇在40℃下的氧化反应作为探针反应，研究了CNFs 上负载Pt 作为燃料电池阴极的可能性。在CNFs 上负载质量分数为5%的Pt 效果和在传统载体上性能相当，同时，
Pt/CNFs 具有更好的抗CO 中毒的能力。他们认为其中的原因是由于Pt 在CNFs 有特殊的结晶和定位效果。Steigerwalt 等[22]用多步沉积方法在CNFs 上负载了Rt-Ru ，金属的质量分数为42%，Pt/Ru 的原子比为1∶1。金属粒径为6～7nm(XRD ：6nm ，TEM ：7nm)。相对于未负载Pt-Ru 的阴极材料性能提高50%。
陈金华等[23]在7.7mmol/L H 2PtCl 6溶液中通过电化学沉积在CNFs 上高分散的Pt 纳米颗粒。通过循环伏安研究了甲醇氧化电化学活性。即使Pt 负载量小到8.79mg/cm 2，电极还有很好的电化学活性。在扫描速度为50mV/s ，2mol/L CH 3OH 和1mol/L H 2SO 4水溶液中得到了最高的电化学活性为323A/g 。其主要原因是Pt 颗粒较小和具有很高分散度。同时，他们也对电极长周期稳定性进行了考察。
我们对
CNFs 制备、微结构调控及其在电化学和燃料电
图１
不同ＣＮＦｓ的ＨＲＴＥＭ图
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池领域的应用进行了深入研究[24-25]。发现其独特的中孔结构对催化反应和电催化反应过程中的流动、传递有着极为重要的影响[24]。制备了Pd/CNFs 和Pt/CNFs 催化剂，
研究了微结构对Pd/CNFs 和Pt/CNFs 催化剂性能的影响[24]。研究发现，p-CNFs 的Pd 电催化剂具有较小的粒径(2nm)和较为均匀的粒度分布；
f-CNFs 的粒径相对较大(4nm)，分布也较为均匀；活性炭的电催化剂的Pd 纳米粒子粒径较大，为3～8nm ，且分布较为不均匀。
同时，载体性质对Pd 电催化剂的ORR(Oxygen reduction reaction)反应性能有重要影响。相对于活性炭的Pd 电催化剂，CNFs 的电催化剂表现出较高的ORR 反应活性。其微结构对Pd 电催化剂的ORR 性能也有较大的影响。p-CNFs 由于暴露了较大比例的端面碳原子，使得p-CNFs 的Pd 电催化剂表现出较高的ORR 反应活性[25]
。
３．３超级电容器
超级电容器具有比电池更大的电流密度和比常规电容器更大的能量密度的特点。从1989年美国能源部设定超级电容器发展规划以来，在需要高电流的设备(如汽车的启动装置)中得到了广泛的应用。目前超级电容器中使用的碳材料主要包括活性碳、碳气凝胶、活性碳纤维、CNTs 和CNFs 等。活性碳具有很大比表面积和很高的能量密度，但微孔过多，电导率过低限制了其应用。
CNTs 电导率很高，但其能量密度太小，只有几十F/g 。导电纤维(聚乙炔，
聚吡咯和聚苯胺等)具有很大的假电容，但循环性能很差。CNFs 具有很高的电导率和稳定性，同时有较多的边角，对这些边角进行修饰可以得到较高的电容。所以，很多学者在这方面作了不少的工作。
Tennent 等[26]研究了CNFs 作为电容器的可能性。他们发现，它可以增加超级容器的比容量。Adhyapak [27]在常温下分解氯仿制得CNFs 。这种材料含有较多的－OH ，
C=O ，－COOH 等基团。其比表面积为78m 2/g ，比容量为28F/g 。进一步进行热处理时，其比表面积可以增加到592m 2
/g ，
但发现CNFs 结构和电容变化不大。
Kim 等[28]用聚丙烯腈合成了直径为300nm 的CNFs 。先进行氧化稳定处理，然后在800℃下用水蒸汽进行不同时间的处理。随处理时间不同，比表面积在460～1160m 2/g 之间，比容量在75～133F/g 之间。同时，他们还研究了活化条件对比容量的影响。
发现，当活化温度在700～900℃之间时，比容量在125～178F/g 之间。
４结论
作为一种新型碳基材料，
CNFs 由于其独特的物理化学性能，在电化学等各方面有较好的应用潜力，相关研究也取得了很大进展。但一直以来，对于CNFs 的研究主要是集中在如何制备和表征方面，但在实际应用中还有很多遗憾，这使得对其应用研究显得尤为重要。同时，CNFs 应用涉及到一个制备、预处理和成型过程，如果能在制备时原位成型，则可大大减低材料的应用难度和成本，这方面的研究也有很大的应用潜力和价值。
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纳米碳纤维及其应用
功能材料论文：纳米碳纤维及其应用 学校：上海电力学院 班级：应用化学110103 姓名：赵立 学号：ys1110122026
纳米碳纤维及其应用 摘要：作为一种新型碳基纳米材料，纳米碳纤维由于具有优异物理化学性能和可控微结构受到越来越多研究者的重视。本文主要介绍了纳米碳纤维的现状与发展，包括纳米碳纤维的制备、性能与应用。并讨论了纳米碳纤维的市场和发展前景。 关键词：纳米碳纤维；性能；应用；发展前景 一、前言 作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有本征。又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用新材料，已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。纳米碳纤维是当代纤维研究领域的前沿课题。也是一项多学科交叉、多技术集成的系统工程。 纳米碳纤维(Carbon Nanofibers 简称CNF)是化学气象生长碳纤维的一种形式，是由通过裂解气相碳氢化合物制备的非连续石墨纤维。纳米碳纤维的研究开始于1991年，日本科学家饭岛利用高分辨电子显微镜在石墨棒放电所形成的阴极沉积物中发现纳米碳纤维，自从发现了纳米碳纤维，它就引起了理论研究者以及工业应用者的兴趣。纳米碳纤维/聚合物基复合材料在世界范围内的研究工作刚刚起步，我国亦在进行跟踪研究。 从物理尺寸、性能和生产成本来看纳米碳纤维的构成是以碳黑、富勒烯、单壁和多壁纳米碳管为一端，以连续碳纤维为另一端链节中的一环。纳米碳纤维的直径在50～200nm之间，但目前不少研究工作者把直径在100nm以下的中空纤维称之为纳米碳管，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳管和气相生长碳纤维之间[1]。与纳米碳管相比纳米碳纤维的制备更易于实现工业化生产。CNFs除了具有CVD法碳纤维低密度、高比模量、高比强度、高导电、热稳定性等特性外，还具有缺陷数量非常少、长径比大、比表面积大、结构致密等优点。由于纳米碳纤维具有许多优异的物理和化学性质，因此可应用于电子器件、聚合物添加剂、储能材料、催化剂载体、电磁屏蔽材料、防静电材料、电磁波吸收材料等诸多领域。 二、制备 制备纳米碳纤维的三种主要方法以及特性是： (1) 基体法在石墨或陶瓷基体上分散纳米级催化剂颗粒的“种粒”，并在高温下通人碳氢气体化合物，热解后在催化剂颗粒上析出纳米碳纤维[2]。利用基体法可制备出纯度较高的纳米碳纤维，但由于超细催化剂颗粒的制备较为困难，且受从板温度和热解气体浓度不均及催化剂粒子在基板上分布不均等因素的影响，纤维生长疏密不匀，也很难得到直径较细的制品。此外，纳米碳纤维仅在有催化剂的基体上生长，产量不高，难以连续生长，不易实现工业生产。 (2) 喷淋法在苯等液体有机化合物中掺人催化剂，并将含催化剂的混合溶液在外力作用下喷淋到高温反应室中，制备出纳米碳纤维[3]。喷淋法可实现催化剂连续喷入，为工业化连续生产提供了可能，但催化剂与烃类气体的比例难以优化，喷淋过程中催化剂颗粒分布不
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电化学基础知识点总结 装置特点：化学能转化为电能。 ①、两个活泼性不同的电极； 形成条件：②、电解质溶液（一般与活泼性强的电极发生氧化还原反应）； 原 ③、形成闭合回路（或在溶液中接触） 电 负极：用还原性较强的物质作负极，负极向外电路提供电子；发生氧化反应。 池 基本概念： 正极：用氧化性较强的物质正极，正极从外电路得到电子，发生还原反应。 原 电极反应方程式：电极反应、总反应。 理 氧化反应 负极 铜锌原电池 正极 还原反应 反应原理：Zn-2e -=Zn 2+ 2H ++2e -=2H 2↑ 电解质溶液 1．下列变化中，属于原电池反应的是( ) A ．在空气中金属铝表面迅速氧化形成保护层 B ．镀锌铁表面有划损时，也能阻止铁被氧化 C ．红热的铁丝与水接触表面形成蓝黑色保护层 D ．铁与稀H 2SO 4反应时，加入少量CuSO 4溶液时，可使反应加速 2．100 mL 浓度为2 mol/L 的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的量，可采用的方法是( ) A ．加入适量的6 mol/L 的盐酸 B ．加入数滴氯化铜溶液 C ．加入适量的蒸馏水 D ．加入适量的氯化钠溶液 3．称取三份锌粉，分别盛于甲、乙、丙三支试管中，按下列要求另加物质后，塞上塞子，定时测定生成氢气的体积。甲加入50 mL pH ＝3的盐酸，乙加入50 mL pH ＝3的醋酸，丙加入50 mL pH ＝3的醋酸及少量胆矾粉末。若反应终了，生成氢气的体积一样多，且没有剩余的锌。请用“＞”“＝”或“＜”回答下列各题。 失e -,沿导线传递，有电流产生 溶解 不断 移 向 阳离 子
发展中的化学电源
第2课时发展中的化学电源 [目标导航] 1.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。 2.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。 3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。 一、常见的化学电源 1．锌锰干电池 (1)结构：锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质。 (2)原理：锌锰电池是一次性电池，放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。负极发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH＋4＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。 (3)缺陷与改进：锌锰干电池电量小，而且在放电过程中容易发生气涨或漏液，会导致电器设备的腐蚀。改进措施：①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池。 2．充电电池 (1)充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内 放电 电能。 循环进行。充电电池中能量的转化关系是：化学能 充电 (2)常见的充电电池 ①铅蓄电池 负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液，常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。 ②镍镉电池 以Cd为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质，寿命比铅蓄电池长，但
镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境。 ③碱金属中的Li是最轻的金属，活泼性极强，是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。 3．燃料电池 (1)燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。 (2)燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。 (3)以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下： 负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O(氧化反应)； 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(还原反应)； 总反应：2H2＋O2===2H2O。 【议一议】 1．判断正误 (1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细。() (2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能。() (3)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化。() (4)太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅。() 答案(1)×(2)×(3)√(4)× 二、原电池电极反应式的书写方法 1．负极反应式的书写 先判断负极材料，然后再分析其反应特点，并注意电解质溶液的成分对电极产物的影响。 (1)锌锰干电池(Zn—C—NH4Cl)的负极是Zn，其负极反应特点是锌本身失去电子生成Zn2＋，Zn2＋与电解质溶液成分不反应，负极反应式是Zn－2e－===Zn2＋。 (2)铅蓄电池(Pb—PbO2—H2SO4)的负极是Pb，其负极反应特点是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与电解质溶液中的SO2－4反应生成PbSO4，负极反应式是Pb －2e－＋SO2－4===PbSO4。
全球碳纤维材料知名企业
全球碳纤维材料知名企业——全球碳纤维顶尖企业 东丽公司 东丽公司是一家综合型化工企业，以生产合成纤维为主，是世界最大的碳纤维生产公司，在塑料、复合材料、化工、水处理事业、电子材料、医药、医疗器械等领域在全世界各地展开着广泛的业务。创立日期 1926年1月总销售额 1兆5,460亿日元（2007年3月）员工人数约36,000人（日本国内约16,500人、海外20,100人）关连公司日本国内118家、海外在20个国家和地区有124家，合计238家经营内容（1）综合化学公司：合成纤维、树脂、薄膜、碳纤维、电子材料、医药医疗设备、水处理事业等（2）世界第一的纤维公司：从原料到聚合、纺丝、织布、印染、缝制的一条龙生产业务（3）积极开展的海外事业：为各国的经济发展（技术水平提高、扩大出口、增加就业机会）做贡献 1960年以来，在东南亚3国展开合成纤维一条龙事业、薄膜事业 1980 年以来，在欧美展开纤维、薄膜、碳纤维事业 1990年以来，在中国展开合成纤维的一条龙生产业务、塑料加工事业等 2000年以来，在经济增长地区设立控股管理公司，向地区本部制过渡（4）重视基础研究.基本技术（5）注重安全.防灾.环保及保护地球环境 西格里集团 西格里集团创建于 1992 年，由德国 SIGRI 集团与美国大湖碳素（Great Lakes Carbon）集团合并而成，总部位于德国威斯巴登。西格里集团（SGL Group - The Carbon Company）是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一。拥有从碳石墨产品到碳纤维及复合材料在内的完整业务链。凭借对原材料透彻深入的了解、精湛的生产技术以及广泛的应用和工程技能，能够为客户提供量身定做的解决方案。通过遍布欧洲、北美和亚洲40 多个生产基地所形成的全球网络，我们与客户更加贴近。 三菱丽阳株式会社 三菱丽阳株式会社创立于1933年8月31日，是日本三菱集团旗下最著名的高分子材料制造商。所生产的聚乙烯中空纤维膜，被广泛应用在供水、排水、水处理设备及医院手术用的无菌水装置、发电厂的叶轮机液化水过滤等领域。 产品范围：MBR专用中空纤维微滤膜片、MBR专用膜组器、净水专用中空纤维微滤膜组件、水处理装置、商用/家庭用净水器、全屋净水装置。 三菱丽阳自1933年作为人造短纤维的生产公司创业以来，应用合成纤维和合成树脂领域所积累的高分子技术，不断拓展中空纤维膜、光纤、碳素纤维等新兴业务领域。现在，三菱丽阳集团已经建立了世界上独特且强有力的丙烯系列业务实体(MMA［甲基丙烯酸甲酯］系列及AN［丙烯腈］系列)，发展成为以此为支柱业务的高分子化学制造企业。 Hexcel Composites
纳米碳纤维及其应用
综 述 纳米碳纤维及其应用 赵稼祥 (航天材料及工艺研究所,100076) 摘 要 介绍世界纳米碳纤维的现状与发展,包括纳米碳纤维的制备、性能、与应用。讨论纳米碳纤维的市场和发展前景。 关键词 碳纤维,纳米,应用 Carbon Nanofiber and It ’s Applications Zhao Jiaxiang (Aerospace Research Institute of Materials and Processing T echnology ,100076) ABSTRACT In this paper the present status and development of carbon nanofiber in the w orld were briefly introduced ,including manu facturing of carbon nanofiber ,properties and application of carbon nanofiber.The market and perspective of development were als o discussed. KEY WORDS carbon ,carbon nanofiber ,application ,market 1 前 言 2002年10～11月在美国北卡罗来纳州首府洛 利(Raleigh ,NC )参加了2002年世界碳纤维会(G lobal Outlook for Carbon Fiber 2002),会后参观、访问了北 卡罗来纳大学国家纺织实验室(State T extile Laborato 2ry ,N orth Carolina State University )和土木工程系,阿 拉巴马大学材料工程系(Department of Materials Engi 2neering ,University of Alabama ),乔治亚理工大学复合 材料教育研究中心(C om posite Education and Research Center ,G eorge University of T echnology )、材料科学与 工程系和机械工程系等,与有关教授、专家和学者,讨论、交换对碳纤维、复合材料与先进材料技术现状、应用与发展的看法,有很大收获[1]。本文简要介绍纳米碳纤维的定义、制备技术、性能、应用、生产与市场及其发展前景。 纳米碳纤维(Carbon Nanofibers 简称C NF )是化学气象生长碳纤维的一种形式,是由通过裂解气相碳氢化合物制备的非连续石墨纤维。从物理尺寸、性能和生产成本来看它是构成以碳黑、富勒烯、单壁和多壁纳米碳管为一端,以连续碳纤维为另一端链节中的一环。 纳米碳纤维的直径在50～200nm 之间,但目前不少研究工作者把直径在100nm 以下的中空纤维称之为纳米碳管,亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳管和气相生长碳纤维之间。与纳米碳管相比纳米碳纤维的制备更易于实现工业化生产。 表1 纳米碳纤维的性能 性 能热处理前 热处理后 抗拉强度(G Pa ) 2.77.0抗拉模量(G Pa )400600断裂应变(%) 1.50.5密度(g/cm 3) 1.8 2.1电阻率(Ωμ-cm )100055热导率(W/m -K ) 20 1950 2 制 备 制备纳米碳纤维的三种主要方法以及特性是:(1)基体法 在陶瓷或石墨基体上散布纳米催 化剂颗粒,高温下通入烃类气体,热解后析出纳米碳纤维[2]。基体法可制备出高纯纳米碳纤维,但纳米级催化剂颗粒制备困难,一般颗粒直径较大,较难制 第4期48 纤维复合材料N o.42003年12月 FIBER COMPOSITES Dec.,2003
碳纤维的特性及应用
碳纤维的特性及应用 碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点，归纳如下： 一、轻质、高强度、高模量 碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。 二、热膨胀系数小 绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5～-1.6）×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。 三、导热性好 通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。 四、耐化学腐蚀性好 从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。 五、耐磨性好 碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。 六、耐高温性能好 碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。 七、突出的阻尼与优良的透声纳 利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。 八、高X射线透射率 发挥此特点已经在医疗器材中得到应用。 九、疲劳强度高 碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。
纳米碳纤维的批量制备和应用
前言 纳米碳纤维（）的研究是从年CNFs 1991 发现碳的另一种纳米级材料－碳纳米管Iijima （） CNTs [1] 以后开始的。早期的研究主要在制备、表征方法以及潜在应用方面，而随着对其性能深入了解，制备大量低成本的以适应商 CNFs 业化应用将成为未来研究的关键。目前，适合低成本和大批量制备的方法主要为化学气相 CNFs 沉积法（）和静电纺丝法CVD [2] 。 从形态上来看，制备的多为空心CVD CNFs 结构，也存在实心结构 ～[34] ；而静电纺丝制备的 为实心结构。从直径分布上来看，的CNFs CNFs 直径一般在～之间，介于碳纳米管与 10500 nm 法碳纤维（）之间CVD CF [5] 。除了具有普CNFs 通法低密度、高比模量、高比强度、高 CVD CF 导电、热稳定性等特性外，还具有缺陷数量非常少、长径比大、比表面积大、结构致密等优点（见表），故在催化剂和催化剂载体、锂离子 1二次电池阳极材料、双电层电容器电极、高效吸附剂、结构增强材料、场电子发射材料等领域极具应用价值，是航天航空、国防军工尖端技术领域必需的新材料，也是体育用品等民用工业更新换代的新材料 ～[56] 。因此，大批量制备及应用 成为世界各国重点研究的项目，期望能占CNFs 领该技术领域的制高点。 世界上生产和的企业有日本的 CNFs CNTs 和公Mitsubushi Chemical Toray Showa Denko 司；美国的公司 Hyperion Catalysis Internation （，）、公司Cambridge MA Applied Sciences Inc （，） Cedavile OH ～[78] 等，随着市场的扩展，生 产企业将逐步增多。我国目前还没有批量生产的公司，仅有少数企业如深圳纳米港有限CNFs 公司和南风集团等能批量生产碳纳米管。在未来 ～，的市场会有很大的发展。大规模510 a CNFs 生产线的出现将会使市场价格降至美元左 11 /g 右，届时的市场会扩大到，它将成 CNFs 45 000 t 为结构复合材料的一种主要的增强材料[6] 。 1 CNFs 的批量制备方法 1.1 CVD 法 一般而言，在催化剂表面气相生长可 CNFs 以分为以下几个过程：⑴碳源气体化合物在催化 剂表面的吸附和裂解并析出碳；⑵碳溶解并在催 化剂颗粒中的扩散；⑶碳在催化剂颗粒另一侧析 出，纤维开始连续生长；⑷催化剂颗粒表面覆盖 碳使其失去活性，纤维停止生长。法根据使 CVD 纳米碳纤维的批量制备和应用 张勇，唐元洪，裴立宅，郭池 （湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙） 410082摘要 : 纳米碳纤维具有优异的物理和化学特性，在复合材料、电子器件、储氢等领域极具应用价值，批量制 备低成本的纳米碳纤维是应用的关键。介绍了纳米碳纤维批量制备的方法，并对纳米碳纤维的应用和市场前景进行了评述。 关键词: 纳米碳纤维；静电纺丝法；批量制备；应用中图分类号: TB 383 文献标识码: A 文章编号: （）1007-9815200502-0020-06
多孔纳米碳纤维的制备及其在超级电容器中的应用研究
多孔纳米碳纤维的制备及其在超级电容器中的应用研究3 牛 强,张孝彬,程继鹏,刘 芙,周胜名,聂安民,谭俊军,崔白雪,周丽娜(浙江大学硅材料国家重点实验室,浙江杭州310027) 摘 要: 利用溶胶凝胶燃烧法制备了碱金属氧化物掺杂的铜催化剂,并使用这种催化剂在不同的温度、掺杂比例下通过热CVD法合成出了具有多孔分叉结构的纳米碳纤维。通过TEM、HR TEM、B ET和激光拉曼光谱等手段对产物进行表征,显示这种纳米碳纤维的比表面积可高达1162m2/g,远高于普通的碳电极材料,并且具有非常丰富的中孔结构,克服了常规碳纳米纤维在应用中表现出的相对有效利用面积不大,比电容不高等缺陷,具备做电极材料的潜力。在将其应用于超级电容器电极材料后,利用二次电池测试仪及电化学工作站对其进行了循环伏安曲线及恒流充放电曲线的测试,结果显示这种纳米碳纤维具有良好的电化学电容行为,电极的可逆性良好,并且比电容值高达203F/g。这些发现将有助于碳纳米材料可控制备的研究,并且提供了一种有一定应用潜力的超级电容器电极材料。 关键词: 化学气相沉积;碱金属;多孔纳米碳纤维;超级电容器 中图分类号: O613.71文献标识码:A 文章编号:100129731(2009)022******* 1 引 言 超级电容器是近年来出现的一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件,它的能量密度大,比充电电池功率密度高,而且可快速充放电,使用寿命长,是一种新型、高效、实用的能量存储装置,在一些情况下能代替电池,并且在大功率,大电流器件等的应用领域十分广泛的应用前景[1,2]。 提高超级电容器性能的关键是寻找合适的电极材料,目前研究较多的有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等单一电极材料以及复合电极材料。综合制备工艺,成本因素以及性能表现,我们把研究重点放在了新型的碳纳米纤维上[3]。 常规碳纳米纤维在应用中却表现出相对有效利用面积不大,电容质量比不高等缺陷。所以,将纳米碳纤维用于超级电容器的关键就是设法使它具有特殊的结构[4～6]。这里我们制得了一种具有多孔分叉结构的纳米碳纤维,证明此纤维具有优异的电化学储能性,十分适于作为超级电容器的电极材料。具体来说,我们利用特殊的碱金属氧化物掺杂制得了新型的催化剂,继而利用热CVD合成出的这种多孔纳米碳纤维在具有常规碳纤维的优异性能的同时,还具有非常丰富的中孔,较高的比表面积[7～10]。并且在将其用作超级电容器电极材料后的各项测试中,表现出良好的电化学电容行为。这些发现将有助于碳纳米材料可控制备的研究,并且提供了一种有一定应用潜力的超级电容器电极材料。 2 实 验 2.1 催化剂的制备 本实验中所用的催化剂采用简单的燃烧法制得。将KNO3,Cu(NO3)2?3H2O和Mg(NO3)2?3H2O 按n(K)∶n(Cu)∶n(Mg)=0.3∶1∶2的摩尔比混合,并添加柠檬酸作为助燃剂,在蒸馏水中混合溶解形成透明溶液。将溶液转移至瓷舟,并置于500℃的马弗炉中,溶液迅速燃烧,待完全燃尽后,取出石英舟,冷却至室温。最后将泡沫状的燃烧物研磨成粉末,即得到制备多孔分叉纳米碳纤维的催化剂。 2.2 多孔纳米碳纤维的制备 将炉温升至675℃,以600ml/min的速度通氮气5min,排除生长炉中石英管内的空气,接着按v(C2H2)∶v(N H3)∶v(N2)=100∶300∶200的比例,以600ml/min的速率通入3种气体的混合气,当气流和温度稳定后,将0.2g催化剂均匀铺在石英舟上,推至生长炉中段恒温区进行生长。反应30min后停止,在氮气氛围下冷却至室温,并收集黑色产物即为制备所得多孔纳米碳纤维。 2.3 多孔纳米碳纤维电极超级电容器的制作 首先将纳米碳纤维粗产物进行纯化处理以除去产物中的催化剂残余:以v(HNO3)∶v(H2SO4)=3∶1的体积比配制酸溶液,将纳米碳纤维粗产品浸泡入酸溶液中,超声波振荡5h后取出,置入离心机中反复离心、清洗至p H值约为7,再放入恒温烘箱中以95℃的温度恒温干燥。 以9∶1的质量比将纳米碳纤维与聚四氟乙烯(P TFE)=9∶1的质量比,在纳米碳纤维中加入P T2 FE乳液混合均匀,加蒸馏水调至乳胶状,均匀地涂覆在泡沫镍极片上,置于恒温干燥箱中在80℃下恒温干 413功 能 材 料 2009年第2期(40)卷 3基金项目:国家自然科学基金资助项目(50571087) 收到初稿日期:2008207221收到修改稿日期:2008209227 通讯作者:张孝彬 作者简介:牛 强 (1984-),男,陕西西安人,在读硕士,师承张孝彬教授,从事碳纳米材料的研究。
化学专题复习：电化学基础(完整版)
化学专题复习：电化学基础(完整版)
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I F Z I I I F Z 高考化学专题复习：电化学基础 要点一 原电池、电解池、电镀池的比较 原电池 电解池 电镀池 定 义 将化学能转变成电能的装置 将电能转变成化学能的装置 应用电解原理在某些金属表面镀上一层其它金属的装置。一种特殊的电解池 装 置 举 例 形 成 条 件 ①活动性不同的两电极(连接) ②电解质溶液(电极插入其中 并与电极自发反应) ③形成闭合回路 ①两电极接直流电源 ②两电极插人电解质溶液 ③形成闭合回路 ①镀层金属接电源正极，待镀金属接电源负极 ②电镀液必须含有镀层金属的离子 电 极 名 称 负极：较活泼金属； 正极：较不活泼金属(或能导电的非金属等) 阳极：电源正极相连的电极 阴极：电源负极相连的电极 阳极：镀层金属； 阴极：镀件 电 子 流 向 负极正极 电源负极 阴极 电源正极 阳极 电源负极阴极 电源正极 阳极 电 极 反 应 负极（氧化反应）：金属原子失电子； 正极（还原反应）：溶液中的阳离子得电子 阳极（氧化反应）：溶液中的阴离子失电子，或金属电极本身失电子； 阴极（还原反应）：溶液中的阳离子得电子 阳极（氧化反应）：金属电极失电子； 阴极（还原反应）：电镀液中阳离子得电子 离 子流向 阳离子：负极→正极（溶液中） 阴离子：负极←正极（溶液中） 阳离子→阴极（溶液中） 阴离子→阳极（溶液中） 阳离子→阴极（溶液中） 阴离子→阳极（溶液中） 练习1、把锌片和铁片放在盛有稀食盐水和酚酞试液 混合溶液的玻璃皿中（如图所示），经一段时间后， 观察到溶液变红的区域是（ ） A 、I 和III 附近 B 、I 和IV 附近 C 、II 和III 附近 D 、II 和IV 附近
碳纤维和碳纳米管的区别
碳纤维和碳纳米管的区别 碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。 碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。 碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
约0.34nm，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管是中空的，属于纳米级别的，肉眼看不见，有单壁和多壁不同层数的，而炭纤维是微米级别的，比头发丝细但是肉眼肯见，都是碳材料家族的成员。 先进纳米材料制造商和技术服务商——江苏先丰纳米材料科技有限公司，2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。科研客户超过一万家，工业客户超过两百家。 南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内，现专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向，立志做先进材料及技术提供商。 2016年公司一期投资5000万在南京江北新区浦口开发区成立“江苏先丰纳米材料科技有限公司”，建筑面积近4000平方，形成了运营、研发、中试、生产全流程先进纳米材料制造和技术服务中心。现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线，2017年年产高品质石墨烯粉末50吨，石墨烯浆料1000吨。 欢迎广大客户和各界朋友莅临我司指导！欢迎电话咨询或者登陆我们的官网进行查看~ ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
碳纤维材料性能及应用
碳纤维材料的性能及应用 碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。另外，碳纤维是指含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。 性能特点： 碳纤维的比重小，抗拉强度高，轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。总之，碳纤维是一种力学性能优异的新材料。 应用领域： 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。 目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在3800K以上升华），而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氩气）加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2；还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机；制造耐腐蚀化工设备等。羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbon fibre 含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含
纳米活性炭纤维
纳米活性炭纤维 随着人口的増长和城市化的加速，有机物的污染越来越严重。都市生活污水量的不断増加，使有机污染物增加，而且工业废水中排放的有机物的总量上升。化工、冶金、炼焦、轻工等行业是有机污染的主要来源。这些行业排出的有机物不仅数量多，而且有有害和有毒的物质，对环境造成极大危害。 活性炭纤维（ACF)以它优异的吸附、脱附性能已在有机废水处理中广泛应用。如有机化工中含氯仿废水、制药厂高浓度废水、页岩油干馏废水、农药废水、炼油厂废水、多氯联苯、甲苯废水、苯齡废水、有机染料废水、己内酰胺废水等。 理化性能 ACF最显著的特点是具有很大的比表面积和丰富的微孔，徼孔的体积占总孔体积的90%以上，微孔直径小且直接开口于纤维表面，因而具有吸附容量大、吸附效率高、吸附和脱附速度快等优点，ACF表面也含有大量的有机基团，具有强的氧化还原反应能力。 纳米活性炭纤维比表面积和吸附容量大。微孔的孔径分布范围窄，再生性能大大优于颗粒状活性炭。活性炭纤维中以微孔为主，孔径小，对低浓度物质的吸附性能尤为突出，颗粒状活性炭在甲苯浓度低于0.01%时已基本失去吸附能力，而活性炭纤维在甲苯浓度低于0.001%时仍有良好的吸附效果。 工艺技术 操作过程 生产活性炭纤维（ACF)用的有机原纤维有：纤维素系、酚醛系、聚丙烯腈系、沥青系、聚乙焼醇系、苯乙焼源烃共聚系和木质系等，工业上所使用的主要是前4种原料。 在制造ACF之前，有机原纤维一般要经过低温200~400°C在空气中进行几十分钟乃至几小时的不熔化处理，随后进行（炭化）活化处理，也可以炭化和活化同时进行。活化方法主要包括物理活化、化学活化。用C02为活化介质，在惰性气体如氮气的保护下，处理温度一般在600~1000°C。具体的处理过程根据原材料和实际要求的不同而有所差异。 ACF的制造工艺过程，因原料和产品性能不同而异，但通常都要经过预处理、炭化和活化三个阶段。 预处理的目的，随原料纤维不同而异。对聚丙烯腈纤维和沥青纤维而言，为使原料纤维不熔化，即在炭化过程中不熔融变形，继续保持纤维形状，可采取预氧化稳定处理，使聚丙烯腈和沥青分子形高聚物而提高其热稳定性。而黏胶纤维预处理的目的患是高原料纤维的热氧稳定性、控制活化反应特性，以达到改善活性炭纤维的结构、性能并提高产品的得率。为此，采用无机盐溶液浸渍的方法；常用的浸渍剂为磷系或氯系化合物溶液，如磷酸、偏磷酸、焦磷酸及氯化锌等。酚酵树脂系纤维因不存在软化点，无需作不熔化处理，即可炭化和活化。
碳纤维复合材料应用研究报告Word版
碳纤维复合材料应用研究报告 摘要：本文对碳纤维复合材料的应用进行了综述，介绍了目前碳纤维复合材料的优异性能、国内外发展现状及趋势及在其所应用领域中的发展前景。同时，也指出了碳纤维复合材料在应用和发展中所存在的问题，并给出了解决这些问题的对策及建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用前景 1 前言 碳纤维复合材料是以碳纤维为增强体与树脂、陶瓷及金属等基体复合而成的结构材料。碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90% 以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维除了具有十分优异的力学性能外，碳纤维还具有低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、穿透性高等优良性能[1]。基于此，到目前为止，用碳纤维与其他基体复合而成的先进基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。 碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比有许多优良的性能，如表1-1所示[2]： 表1-1 各材料性能比较 通过比较可知，（1）碳纤维复合材料比强度是钢SAE1010（冷轧）的近20倍，是铝6061-T6 的近10倍；其比模量则超过这些钢和铝材的3倍。因此其具有高的比强度和比模量。（2）大多数碳纤维复合材料可通过设计增强纤维的取向及用量来对结构材料的性能实行剪裁，达到性能最佳。（3）碳纤维复合材料密度低，质量轻，能有效减轻构件重量。除此之外，碳纤维复合材料还有多选择性成型工艺、良好的耐疲劳性能及良好的抗腐蚀性等。
由于碳纤维复合材料具有优于其他材料的性能，世界各国都在大力发展碳纤维复合材料。2013年碳纤维复合材料总产值147亿美元，其中CFRP产值94亿美元，约占64%。碳纤维复合材料的需求7.2万t，2020年预计需求量将达14.6万t（图1-1），2010—2020年全球碳纤维复合材料年均增长率都将超过11%[3][4]。 2016、2020年的需求量为预测值。 图1-1 2011—2020年全球碳纤维和碳纤维复合材料的需求量 其中，欧洲的碳纤维复合材料需求占全球市场的40 %，美国占25 %，中国占20 %，其他国家与地区的碳纤维复合材料占市场份额在15 %上下。其中中国市场对碳纤维的需求每年也在逐步增加，中国碳纤维复合材料市场需求如图1-2所示： 图1-2 中国碳纤维复合材料市场需求 2015年，碳纤维制造商日本帝人公司扩大碳纤维复合材料合作领域，其目标是将他们
纳米碳纤维及石墨碳纤维
纳米碳纤维及石墨碳纤维 是直径为50～200nm，长径比为100～500的新型碳材料。它填补了常规碳纤维（直径为7～10μm）和单壁碳纳米管（SWNTs）（直径约为1nm）及多壁碳纳米管（MWNTs）（直径为1～50nm）尺寸上的缺口，具有较高的强度、模量、长径比、热稳定性、化学活性、导电性等特点；另外，纳米碳纤维在成本和产量上与碳纳米管相比都有绝对的优势。所以在复合材料（包括增强、导电及电磁屏蔽添加剂等）、门控场发射器件、电化学探针、超电容、催化剂载体、过滤材料等领域都有潜在的应用前景。如：少量加入纳米碳纤维可使芯片的电阻率降到1010Ω·cm，解决静电消散问题；加入少于3%的纳米碳纤维，电阻率可降到104～106Ω·cm，可以解决面板类电子器件的静电喷漆问题，而加入一般碳纤维往往不能满足该要求，因为一般碳纤维直径太大，使静电喷漆表面太粗糙，纳米碳纤维直径很细，静电喷漆表面可以达到A级光洁度；作为力学性能的增强剂时，纳米碳纤维可以达到连续碳纤维一样的增强效果，而价格则相当于采用玻璃纤维作增强剂，应用在聚合物基复合材料领域可以提高基体的拉伸、冲击强度和模量，并且导电导热性都有大幅度的提高，是电子、汽车、航天航空等领域的理想的增强材料，如：在ABS基体中加入5%（质量分数）的纳米碳纤维PyrografIII时，纳米碳纤维可在基体中得到很好的分散并发生取向，使基体的拉伸模量提高44%。所以近年来对纳米碳纤维的理论和应用研究越来越受到广大研究者们的关注。 石墨碳纤维： 通常把2000～3000℃的热处理过程称为石墨化。炭纤维在此温度下处理所得的纤维称为石墨纤维。 一般炭纤维的炭化温度在1000～1500℃。热处理到1000℃时其碳含量已达90%～92%，到1200～1500℃时碳含量可达95%左右。继续升温时，炭纤维中残留的氮、氢等非碳原子进一步被脱除，非芳构化碳减少，六角碳网平面的环数增加，转化为类似石墨层面的组织。随着温度的不断上升，这些分布紊乱的石墨层面进一步靠拢(d002减小)，转化为类似石墨的微晶状态，微晶增大(La，Lc增大)，结晶态碳的比例增加，石墨层面沿纤维轴的取向度也增加。 石墨单晶的拉伸弹性模量高达1051GPa，炭纤维的拉伸弹性模量也随着最高热处理温度和石墨化程度的升高而升高。但是其拉伸强度也将下降，这是因为在多晶材料中，晶界强度往往比晶粒内部强度小，所以初始裂纹大多存在于晶界处，且其在外力作用下扩展时，多沿
化学电源
化学电源论文 0808030317 刘玉涛
燃料电池发展及应用 刘玉涛0808030317 摘要:介绍了燃料电池的性能特点，简述了日本、美国和中国燃料电池研究发展状况，展望了燃料电池在电站、微型电源及车辆、航天航空和海洋潜艇动力源等领域的应用前景。 关健词: 燃料电池、性能、应用前景 燃料电池是继火力发电、水力发电和核电之后的第四种发电方式，是电力能源领域的革命性成果，其显著特点是发电效率高，可长时间连续工作，无污染，无噪声，特别是质子交换膜燃料电池发电系统还具有工作温度低、无烟雾排放、伪装性能优良等特点，在军事方面有很好的应用前景。随着工业的发展和人类物质生活及精神文明的提高，能源的消耗也与日俱增。开发新能源须考虑到能源的高效使用和尽可能降低对环境的污染。燃料电池发电效率高，不产生C02等温室气体，是一种比较理想的清洁能源。目前，许多国家都在积极开发这一技术。 1燃料电池的特点 燃料电池(Fuel Cell )是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续地转变为电能的发电装置。由于大多数电池包括各种原电池、蓄电池和储备电池等，都只能用于短时间、小范围、低电压、小电流的局部供电，不可能发展成发电设备;而燃料电池却展现特殊的发展前景，其燃料和氧化剂分别储存在电极之外，使用时只要连续不断地将燃料和氧化剂分别供给燃料电极和氧化剂电极，它就可以不断工作，将化学能转变为电能。用作，将化学能转变为电能。用作燃料电池的燃料主要有氢、甲醇、联氨、甲醛、煤气、丙烷和碳氢化合物等，用作氧化剂的有氧、空气以及氯溴等卤族元素。 燃料电池由阳极、阴极、电解质和外部电路等组成。它的主要优点是:1)不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达60%一80%; 2)洁净，无污染，噪音低，隐蔽性强; 3)模块结构，适应不同功率要求，灵活机动; 4)比功率大，比能量高，对负载的适应性能好;5)可实现热、电、纯水联产。
碳纤维的应用领域及前景
碳纤维的应用领域及前景 carbonfibre application 作者(writer)：杨成刚 Gang chengyang 摘要（Abrtrant）： 1 碳纤维的成分结构 2 碳纤维的应用领域 3 碳纤维的发展前景 关键词（Keywords） 乱层石墨复合材料关键材料军工业民用行业潜力极大 正文（Text） 碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。碳纤维编织布 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维 1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以前，以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM)，对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策，1994年3月，COCOM虽然已解散，但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空，先进的碳纤维技术仍引不进来，特别是高性能PAN基原丝技术，即使我国进入WTO，形势也不会发生大的变化。因此，除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外，别无其它选择。因此，国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度，只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系，拥有其产品的进口渠道。碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。 ------------ 在人们印象中，碳纤维更多地与航空航天、军工产品及国防建设联系在一起，由于投资门槛高、技术难度大，特别是日本东丽 30 年"修得正果"的经历，一度让技术与资金均相对薄弱的中国化纤企业望而却步，导致了中国碳纤维长期严重依赖进口的状况。然而， 2004 年以来国际市场上出现以碳纤维为代表的高性能纤维供不应求的局面，已不仅仅影响到我国