新型碳泡沫的制备及其结构、性能研究

论文摘要

新型高性能沥青基碳泡沫最早由美国橡树岭国家实验室利用中间相沥青为原料制备的，由于其低密度、高热导率的特点，被广泛应用于多种领域。如高温热容材料、多孔电极、催化剂载体、过滤器、支架材料等。在沥青基碳泡沫与同类材料相比具有清晰优势的同时，其自身的一些特性仍需进一步改进，以适应更大范围的应用需求。在国外，对碳泡沫的研究已经很多，主要包括其微观结构、机械性能及热性能的研究；而国内在这方面的研究还不多。中间相沥青的制备主要有以下制备工序：通过加热，在惰性气体条件下热解煤焦油基沥青，得到中间相沥青，而后在高温高压反应釜中发泡，利用碳化炉进行碳化处理，以及最后进行高温石墨化处理。本文着重探讨了中间相沥青基碳泡沫的制备及结构、性能研究，以及通过改变反应参数来讨论和决定最优化的反应工艺。首先，本文通过SEM、X射线衍射、孔隙率测试，热导率测试和力学性能测试等测试手段，讨论了保温时间，成形压力和不同阶段的热处理工艺对泡沫形态结构和力学、导热性能的影响。同时探讨了泡沫孔隙率和力学性能之间的关系。通过一系列的实验和测试，本研究收集总结了大量决定泡沫性能的制备工艺参数，并进一步掌握了通过控制实验中的不同参数制备不同性能碳泡沫的方法。其次，本实验在原有工艺的基础上通过添加天然鳞片石墨以及碳纤维来改性中间相沥青基碳泡沫。天然鳞片石墨对于碳泡沫的力学增强、导热性能增加和泡沫孔洞形态改变作用十分显著。当石墨添加量分别为2％，5％和8％时，泡沫的抗压强度也相应地从3.7MPa增至9.3 MPa，12.5 MPa和10.8 MPa。同时在石墨片层结构优良导热性能的作用下，碳泡沫的导热率也从70W/m．K增加到110W/m．K。同时，利用碳纤维高强度、高比模量、优异的热物理性能、化学稳定性、阻尼减震降噪性等优良性能，选择适当的比例与中间相沥青均匀混合后进行发泡，可以控制发泡产生的泡沫的孔洞形态，并且对其力学性能进行增强，可使改性后的复合碳材料抗压强度达到12.79MPa。最后，本文也对影响泡沫孔洞结构形态，孔洞大小和决定泡沫导热率的因素进行了研究，对碳泡沫的成形机理和导热机理做了初步的探讨，并对已有的经验和理论进行了归纳和总结。总之，本研究已经能够成功制备出具有诸多优良性能的新型碳泡沫。通过一定的加工工艺参数改变可以得到性能各异的碳泡沫材料。相信在不久的将来，对此领域持续而具有创新意义的研究将进一步造福人类社会。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 概述
• 1.1.1 碳泡沫的发展历史
• 1.1.2 新型碳泡沫的性质
• 1.1.3 新型碳泡沫的制备方法概述
• 1.1.4 新型碳泡沫的结构特点
• 1.1.5 新型碳泡沫导热性能
• 1.1.6 新型碳泡沫的应用前景
• 1.2 本论文研究内容、目的及意义
• 1.3 参考文献
• 第二章 中间相沥青碳泡沫的制备与表征
• 2.1 中间相沥青的制备
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 仪器和装置
• 2.1.3 实验步骤
• 2.2 碳泡沫的制备
• 2.2.1 仪器和药品
• 2.2.2 实验步骤
• 2.3 碳泡沫的碳化工艺
• 2.3.1 仪器介绍
• 2.3.2 实验步骤
• 2.4 碳泡沫的石墨化工艺
• 2.4.1 仪器介绍
• 2.4.2 实验步骤
• 2.5 碳泡沫的主要表征手段
• 2.5.1 扫描电镜观察
• 2.5.2 密度、孔洞率的测定
• 2.5.3 导热率的测定
• 2.5.4 力学性能的测定
• 2.5.5 X-衍射测定
• 2.6 本章小结
• 2.7 参考文献
• 第三章 中间相沥青基碳泡沫形态研究
• 3.1 碳泡沫形态及其影响因素
• 3.1.1 热处理工艺对碳泡沫孔洞形态的影响
• 3.1.2 发泡过程升降温速率对泡沫特征的影响
• 3.1.3 发泡温度和保温时间对泡沫特征的影响
• 3.1.4 成形压力对泡沫孔洞形态、密度和孔径的影响
• 3.1.5 释压速率对泡沫孔洞形态、密度和孔径的影晌
• 3.1.6 泡沫孔隙率和力学性能之间的关系
• 3.2 碳泡沫成形理论初探
• 3.3 本章小结
• 3.4 参考文献
• 第四章 碳泡沫的导热性能的影响因素及机理研究
• 4.1 固体热传导的理论基础
• 4.1.1 热传导的宏观规律
• 4.1.2 热传导的微观规律
• 4.2 影响碳泡沫导热性能的工艺条件研究
• 4.2.1 升温速率对导热系数的影响
• 4.2.2 保温时间对导热系数的影响
• 4.2.3 成形压力对导热系数的影响
• 4.2.4 不同石墨化温度对碳泡沫导热系数的影响
• 4.3 泡沫特性与导热系数之间的关系
• 4.3.1 泡沫形态结构与导热系数之间的关系
• 4.3.2 泡沫孔隙率、开孔率与导热系数之间的关系
• 4.3.3 泡沫导热系数的方向性研究
• 4.4 碳泡沫导热的机理研究
• 4.5 本章小结
• 4.6 参考文献
• 第五章 碳泡沫的添加改性研究
• 5.1 碳泡沫添加天然鳞片石墨粉的性能研究
• 5.1.1 添加石墨后碳泡沫泡孔形态的改变
• 5.1.2 石墨添加量的改变对碳泡沫力学性能的影响
• 5.1.3 添加石墨对碳泡沫导热性能的影响
• 5.2 碳纤维增强碳泡沫的研究
• 5.2.1 添加不同质量比的碳纤维发泡对泡沫孔洞形态的影响
• 5.2.2 添加不同质量比的碳纤维发泡对泡沫力学性能的影响
• 5.3 本章小结
• 5.4 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况