新型碳纤维复合导电材料的制备以及性能研究

新型碳纤维复合导电材料的制备以及性能研究

董罡1，宋卓彦2，何春晖2，李子扬3

（1. 国网山东省电力公司，山东 济南 250001; 2. 国网山东省电力公司 经济技术研究院，山东 济南 250021;

3. 山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

摘 要：研究了新型碳纤维复合导电材料的制备方法及其导电性能，提出了基于电气相沉积(CVD)法和热解法的新型碳纤维复合导电材料制备方法。采用电化学调节方法和稳态控制方法，进行碳纤维复合导电材料的光生电荷的分离；采用热解法对碳纤维复合导电材料进行热解分离及衍射谱分解；将羧甲基纤维素盐加入到碳纤维复合导电材料的溶解质中，确保制备过程中碳纤维复合导电材料的导电性。对性能进行研究时，通过分析碳纤维复合导电材料的电磁特征，对导电材料的电阻率、材料制备成本、功率损耗及效率进行分析。研究得知，制备的新型碳纤维复合导电材料的导电性能较好，输出稳态性较强。 关 键 词：新型；碳纤维；复合导电；材料；制备；导电性能

中图分类号：TQ424.1 文献标识码：A 文章编号： 1671-0460（2019）06-1267-05

Study on Preparation and Properties of New Carbon

Fiber Composite Conductive Material

DONG Gang1, SONG Zhuo-yan2, HE Chun-hui2, LI Zi-yang3

（1. State Grid Shandong Electric Power Company, Shandong Jinan 250001, China；

2. Economic &Technology Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, Shandong Jinan 250001, China；

3. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co., Ltd.,Shandong Jinan 250013, China)

Abstract: The preparation methods and conductivity of new carbon fiber composite conductive materials were studied. A new preparation method of carbon fiber composite conductive materials based on CVD method and pyrolysis method was proposed. The photoconductive charge of carbon fiber composite conductive material was separated by electrochemical regulation method and steady state control method; the carbon fiber composite conductive material was pyrolyzed and decomposed by diffraction spectrum; carboxymethyl cellulose salt was added into the solute of carbon fiber composite conductive material to ensure the conductivity of carbon fiber composite conductive material in the preparation process. The electrical resistivity, material preparation cost, power loss and efficiency of carbon fiber composite conductive materials were investigated by analyzing the electromagnetic characteristics of carbon fiber composite conductive materials. The results showed that the new carbon fiber composite conductive material had good conductivity and output stability.

Key words: New type; Carbon fiber; Composite conductivity; Material; Preparation; Conductivity

新型碳纤维复合导电材料是典型的电池电极材料，对新型碳纤维复合导电材料的制备技术进行优

[1]

化，可提高其导电性能及电流输出的稳定。优化过程中，以保证新型碳纤维复合导电材料性能稳定性为前提进行优化，在电池设计技术优化和材料的电极性能优化设计等领域中具有很好的应用价值。 当前，对新型碳纤维复合导电材料的制备方法研究主要有电吸附方法、X射线制备方法、气相沉积(CVD)法、光谱制备技术以及新型混合MMC制备

[2]

技术等，采用传统的碳纤维复合导电材料制备技术具有利用率高、耗能低等优点，例如，采用电压自均衡 Boost-MMDCT耦合控制方法进行碳纤维复合导电材料的制备，经MMDCT接入新型碳纤维复合导电材料的复合电极，提高新型碳纤维复合导电

材料制备的输出稳定性，但该方法的过程控制稳定性不好，输出增益较大。

针对上述问题，本文提出基于电沉积法和热解法的新型碳纤维复合导电材料制备方法，采用电化学调节方法和稳态控制方法，进行碳纤维复合导电材料的光生电荷的分离；采用热解法对碳纤维复合导电材料进行热解分离及衍射谱分解；将羧甲基纤维素盐加入到碳纤维复合导电材料的溶解质中，确保制备过程中材料的导电性。通过分析电磁特征，对导电材料的电阻率、材料制备成本、功率损耗及效率进行分析。

[3]

1 制备流程

为了对新型碳纤维复合导电材料制备和导电性

收稿日期：2019-03-07

作者简介：董罡（1967-），男，山东德州人，硕士，高级工程师，主要从事电气工程研究。E-mail：272675861@qq.com。

1268 当 代 化 工 2019年6月

能的分析，结合材料的晶体结构特征和电化学性能分析。采用电化学调节方法和稳态控制方法，进行

新型碳纤维复合导电材料的光生电荷分离[4]

，采用CdS/RGO 复合光催化剂进行制备过程中的相结构表征。在43.28、53.73、57.27 ℃温度条件下，进行伸缩振动特性分析，采用热解法在金属有机骨架材料中进行热解分离，得到新型碳纤维复合导电材料的FTIR谱图和晶体结构如图1所示。

(a) FTIR谱图

(b) 晶体结构

图1 新型碳纤维复合导电材料的FTIR谱图和晶体结构 Fig.1 FTIR spectra and crystal structure of new carbon

fiber composite conductive materials

根据新型碳纤维复合导电材料的FTIR谱图和晶体结构分布，进行优化制备设计，采用Ni- MOF-74作为电极材料，在通过碳纤维复合导

电材料制备过程中的热解温度下热解反应控制[5]

，计算骨架结构特征峰值，采用[mim] Cl/AlCl3 (45/55 mol%)进行材料电极导电性能测试和滤波分离，在离子液体中分析导电性能，采用电沉积法，进行蓄

电性能优化设计[6]

，进行CMC-Na 和 CMC- Li的化学分解和特征分析，在浓度为0、5 mmol/L羧甲基纤维素盐溶液中，进行碳纤维复合导电材料的衍射谱分解，将羧甲基纤维素盐加入到碳纤维复合导电材料的溶解质中，提高碳纤维复合导电材料的导电性。制备过程如图2所示。

图2 新型碳纤维复合导电材料的制备过程示意图 Fig.2 Schematic diagram of the preparation process of the

new carbon fiber composite conductive material

根据上述总体设计构架，基于电气相沉积(CVD)法和热解法进行新型碳纤维复合导电材料制备；利用配体2,5-二羟基对碳纤维复合导电材料苯二甲酸(DHTA)的溶解性，进行电解特征分析；采用表碳包覆镍纳米材料作为碳纤维复合导电材料的溶解基质溶剂，通过直接热解法制备碳纤维复合导电材料的金属骨架化合物；在有机骨架存在芳环结构的情况下，分析新型碳纤维复合导电材料的配位形成和化

学结构[7]

；在苯环骨架伸缩振动控制下，构建桥式配位结构模型，以顺式螺旋链的形式作为新型碳纤

维复合导电材料的结晶模式[8]

；在金属镍与氧配位环节中进行材料的包覆和负载性处理，得到材料制备过程中的等温线分布如图3所示。

图3 材料制备过程中的等温线分布

Fig.3 Isotherm distribution during material preparation

结合图3的等温线分布结构形式，进行新型碳纤维复合导电材料的热解反应和电沉积处理，计算

的微孔和介孔孔径分布，进行优化制备[9]

。

2 导电性能分析

对导电性能进行分析时，其电磁特性、材料的功率损耗和韧性均会影响，碳纤维复合材料的到点性。

第48卷第6期 董罡，等：新型碳纤维复合导电材料的制备以及性能研究 1269

2.1 电磁特征分析 在上述技术优化设计的基础上，进行新型碳纤维复合导电材料的电磁特性分析，在磁场密度为B导电环境中，得到输出电流为I，磁场变化特性为：f=Il×B。在材料的等温吸附曲线中，计算N个与磁场垂直的碳纤维复合导电导体的磁通密度，在迟滞回线中得到导电材料的电导率为T = NILBr。所以当令l = ls，r = rr+lg，NI = AwJcukf，再计算电化学输出特征量B，对控制约束参量进行非线性分解，用kf表示导电材料的绕组槽满率，Aw为新型碳纤维复合导电材料的绕组截面积，定义为：

Awlw(2rr2lglw)。将金属氧化物质引入到电极表面，得到输出电流因素为：

NIlw(2rr2llw)Jcukfkc （1）

其中: kc是炭纤维电极的稳态调节系数，表示电极表面，线圈与总线圈

之比（比如kc=2/3）。

忽略电磁绕组的影响，得到循环伏安特征量为：

BFmgA

g（2）其中：Fm —为初始电导率；

Ag —为磁动势积；

—为碳纤维复合导电材料的绕组。

在碳纤维复合导电材料的射线约束下，可以估算

碳纤维复合导电材料的电磁场特性为：

Frlm

m

B （3）

0r1A

gls

p

(rrlg) （4）



11rrrr+lgdr/p(0lsr1dr

rrlmrrr

r

（5）



1

rr+lg+lw

dr

r2



rr+l)

g

r在伸缩振动峰位置，设置导电材料真空磁导率70410H/m，r1和r2为导电材料磁通区域的

吸收增强系数和磁导率，当r1和r2为1，则漫反

射谱特征量为：

BBrlmg

(rrlgl wrlg)ln(r（6）rl)rm

考虑到单质镍能的漏磁系数k1和导电率k，导电材料的绕组密度和铁芯密度可以表示为：

Tkfkck1kBrlmlslw(2rr2lglw)Jcuem

ln(rrl glw（7）r)rlm

k11

10.9[rp(l2 w))]1

（8） r/(glk)

(,kck

c

（9）

其中：为碳原子插入 Ni 的晶格，近似为： min(β,kc)[ks(1ks)tanh(kc)] （10）

其中ks1，为经验值。根据上述分析，实现了对新型碳纤维复合导电材料的电磁特征分析，在此基础上，进行材料的导电性能分析。

2.2 导电材料的功率损耗和效率

对新型碳纤维复合导电材料的功率损耗分析，提高导电能力。在绕组约束下，输出功耗为：

P2

cukfkcketAwlsJcu

（11） 在磁损耗约束下，输出损耗与几何尺寸之间的

关系满足：

PkBn

hhmaxf

（12）

其中：f输出转换频率；

B为；最大磁密，n为Steinmetz常数。

max

在附加涡流损耗下可以；单组分输出功率损耗表

示为：

Pkn

2

eeBmaxf （13） PxkxB1.5

maxf1.5

（14）

考虑新型碳纤维复合导电材料的非正弦磁密，

将引入到电极表面，得到材料的附加涡流损耗定义为：

Pe =0.907 8k\"e Bnmax f 2 （15）

P1.5

x0.96kxBmaxf1.5

（16） 借助电导率测定离子的变化，得到最大磁密为：

Bk1Brlm

sy2plrr

lg

lw

（17）yln(

rrl)

m

采用三电极系统进行新型碳纤维复合导电材料

的输出稳态调节，常数kh

,n,ke，得传导方程： Pn hkhyVsyBsyf（18） Pn

ekeyV2

syBsyf（19）

其中Vsy为定子轭体积，结合伏安特性为：

1270 当 代 化 工 2019年6月

 0.5150(lglr)0.3

500R0.5

ef

(l（20）

0.0325glr)0.34

R0.2 10e

e其中新型碳纤维复合导电材料的Couette-

Reynolds系数Reairrrrlgair，air为黏度系数。电磁转矩表示为：

k

Tfkck1kBrlmlslw(2rr2lglw)Jcu

em

ln(rrlglwr)

rlm（21） (

PePh

)

r

输出转矩为：

ToutTem(PwPb)/r （22）

综上分析，实现对新型碳纤维复合导电材料的制备和导电性能分析。

2.3 材料韧性分析

在上述材料特性分析的基础上，结合对复合材料的光催化活性分析结果，分析材料韧性。材料的制备约束方程描述为：

Ccm1mVmcm2pcwAckfwVw c （23）

yyVt

其中:m、w、

y为材料铁磁系数；cm1、cw、cy为单位弹性

模量。Vm、Vw、Vt为体积。

根据单位弹性模量来计算新型碳纤维复合导电材料的抗拉强度，计算式转换为：

V2tls(rrlglwly)。

在新型碳纤维复合导电材料的单位质量单价与导电材料截面积的共同约束下，用到如下的公式进行成本控制：

cc1wAc(

Ac2) c

（24） 其中:c1、c2为天然成本和加工成本。

2.4 电阻率分析

确定不同导电效率下各材料元素的电阻率，在长度为l的导体中，镍物种和碳之间产生感应电压，得到催化降解活性特征参量模型描述为EvlB。

令vrr

，rrl，

，则： rgBkk1BgllskfkcAw/AcE

(rrlg)kk1BgrlskfkcAw

A（25）

c

其中r为材料的光催化活性特征，Ac为CdS/RGO 复合物的光催化反应速率，导电材料的电

流可以表示为：

IAcJcu，随着γ-Fe2O3含量的增加，材料的端电压为：VERI，其中R为绕组电阻。

因此材料被降解后的输出端电压为：

VlskfkcA

wkk1BrrA[ketJcuc

ln(

rl]rglw（26）r)rlm

其中为导电材料的导线电阻率，

ket1(rrlglw)/(pls)，表示端部催化反应速率，为电子-空穴复合率，1代表碳纤维复合导电

材料的整距绕组。当输入功率P=VI与Ac无关，也就是说碳纤维复合导电材料的口径对于输出电流没有影响，在光生电荷的有效分离下，导电材料的时间常数LR，其中L和R为碳纤维复合导电材料的绕组电感和电阻。绕组的自感为：

Lk22

0fAwls

s72A22

rrlglw

（27）cpln(r)rlm由于材料具有铁磁性质，采用电荷的复合控制方法，进行碳纤维复合导电材料的类间绕组控制，得到导电材料的电阻率需满足：



r

4pτ（28）

如果不满足不等式约束，在最大电阻率约束下，进行碳纤维复合导电材料的优化制备和化学性能分析[10,11]

。

3 实验测试

测试本文制备的新型碳纤维复合导电材料导电性能以及其它材料性能时，采用浸渍煅烧法实现电吸附性测试，对负载性能和输出伏安特性进行量化特征分析。实验中设定碳纤维复合导电材料电极片大小40 mm×40 mm，初始磁滞回线电导率4.26

µS·cm-1，催化活性为0.868 mmol·min-1·gcat.-1

，根据上述分析，得到新型碳纤维复合导电材料的导电性能测试结果如图4所示。

分析图4得知，设计的新型碳纤维复合导电材料的输出稳态调节性能较好，输出频率范围为100~2 400 Hz，碳纤维复合导电材料的高通滤波性能较好。

第48卷第6期 董罡，等：新型碳纤维复合导电材料的制备以及性能研究 1271

能较好，成本较低，性能较好。

参考文献：

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图4 材料的导电性能测试 Fig.4 Conductivity test of materials

4 结 语

为提高碳纤维复合导电材料的导电性能及电流输出稳定性，本文基于材料的电磁耦合性，采用电气沉积方法进行制备技术优化设计，提高输出性能，从而确保材料性能稳定性。考虑新型碳纤维复合导电材料的非正弦磁密，将引入到电极表面，采用三电极系统进行输出稳态调节。测试得知，设计的材料导电性

大连化学物理研究所科研成果介绍

甲醇制取乙醇技术

负责人：刘中民 联络人：朱文良

电话：84379418 传真：843792 Email：wlzhu@dicp.ac.cn

学科领域：能源化工 项目阶段：工业生产

项目简介及应用领域

乙醇是世界公认的优良汽油添加剂和重要的基础化学品，可以部分替代乙烯用作化工原料，也可以方便地转化为乙烯。目前，全世界乙醇产量约一亿吨，主要由美国和巴西利用粮食、甘蔗等生物原料生产，而我国乙醇产量只有700万吨，主要利用陈粮进行生产。长期以来，利用化石资源生产乙醇一直是全世界努力的目标。

煤经合成气直接制乙醇是一项世界性的挑战，因难以回避贵金属催化剂、效率较低及设备腐蚀等问题，一直难以实现工业化。大连化物所提出以煤基合成气为原料，经甲醇、二甲醚羰基化、加氢合成乙醇的工艺路线，采用非贵金属催化剂，可以直接生产无水乙醇，是一条独特的环境友好型新技术路线。

2017 年 1月11日，采用中科院大连化学物理研究所（简称“大连化物所”）

自主知识产权技术的陕西延长石油集团10万吨/年合成气制乙醇装置成功打通全流程，产出合格无水乙醇，标志着全球首套煤基乙醇工业示范项目一次试车成功。此项目被列为中科院“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”A 类战略先导专项重大任务，也被列入国家能源局《能源技术创新行动计划(2016– 2030 年)》。2016 年底项目开始试车，2017 年1月11日产出合格产品，主要指标均达到或优于设计值。

该示范项目的成功，标志着我国将率先拥有设计和建设百万吨级大型煤基乙醇工厂的能力，对于缓解我国石油供应不足，石油化工原料替代，油品清洁化、缓解大气污染及煤炭清洁化利用具有战略意义。煤基乙醇的成本（大型化后全成本约 35000 元/吨）远低于粮食乙醇，传统生物制乙醇方式，避免粮食乙醇所带来的粮食安全问题。同时，该技术还可以用于将现有大量过剩的甲醇厂改造成乙醇工厂，调整产业构，释放产能。另外，乙醇便于运输和储存，可以方便灵活地生产乙烯，促进下游精细化工行业的发展。

合作方式：技术许可

投资规模：2 亿～30 亿