超临界流体制备中间相沥青基泡沫炭及导热性研究

论文摘要

中间相沥青基泡沫炭是将中间相沥青发泡,经氧化炭化以及石墨化处理后形成的一种新型低密度炭材料。与其他前驱体泡沫炭相比,中间相沥青基泡沫炭除了具备密度低、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点外,由于中间相沥青的显著各向异性和可石墨化性能,导热性能显著提高,在航空航天以及民用领域有着广泛的应用前景。本论文以中间相沥青为前驱体,利用超临界溶剂对中间相沥青良好的渗透性和溶解性,在高压反应釜内通过压力释放制备中间相沥青基泡沫炭,得到可控性良好的具有规整泡孔结构的泡沫炭。在分析了不同溶剂在超临界状态下对中间相沥青泡沫炭结构性能的影响规律基础上,研究了混合溶剂对泡沫炭孔结构以及韧带结构的调控。研究了不同条件下发泡压力、温度、溶剂比例等因素对泡沫炭孔结构和韧带结构的影响。考察了不同氧化和炭化以及石墨化条件下泡沫炭导热性能的变化规律。分析了泡沫炭导热性能与其孔结构以及韧带结构的关系。研究发现,混合溶剂的中间相沥青的溶解性和均相成核性能得很大改善,使泡孔直径更加容易控制。通过选择不同混合比例的超临界流体、选择合适的发泡条件,可获得结构可控、密度分布在0.01～0.8g/cm3之间、孔径分布均匀、平均孔径在150～1100μm、壁厚15～100μm、孔隙率91%以上、开孔率高的泡沫炭,在此基础上,对不同孔结构的泡沫炭的导热性能进行研究。利用已有的多孔材料中常用的分形理论分析了所制备炭材料的导热特性,尝试推导出并应用泡沫炭的面积分形堆数,构建了当量元泡根据截面分形空隙分数,提出了一个计算泡沫炭导热率的模型,并以此计算出泡沫炭的导热系数并和实验中得到的数据进行对比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 泡沫炭的制备方法及原理
• 1.3 泡沫炭的结构
• 1.4 泡沫炭的性能指标
• 1.5 泡沫炭材料的应用
• 1.6 沥青泡沫碳的理论研究进展
• 1.7 本论文的研究目的及意义
• 第二章 超临界流体制备中间相沥青基泡沫炭
• 第一节 研究内容
• 2.1 实验原理
• 2.2 实验方案
• 第二节 实验部分
• 2.3 原料
• 2.4 实验仪器及工艺流程
• 2.5 实验方法
• 2.6 泡沫的挤出探索
• 第三节 实验结果与表征
• 2.7 表征方法
• 第三章 不同溶剂及混合溶剂比例对泡沫炭孔结构以及韧带 结构的影响
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.3 中间相沥青的结构分析
• 3.4 结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 泡沫炭材料导热性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 泡沫炭前驱体处理
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 泡沫炭导热机理分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 泡沫炭导热系数计算研究
• 5.1 前言
• 5.2 计算模型材料的制备
• 5.3 泡沫炭导热系数计算
• 5.4 计算值和实值的对比
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与下一步的工作
• 6.1 本研究的结论
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢