高硅氧玻璃纤维增强碳基复合材料的制备及性能研究

发布时间：2020-09-16 11:19

　　随着社会的进步,工业的发展,能源短缺的问题越发突出,而大部分能源是通过在各种装置中转化为热能进行应用的,因此采用新技术、改进生产工艺、开发具有隔热性能的节能材料已成为科技研发的方向。纤维增强多孔碳基隔热材料是节能减耗的复合材料之一,其应用非常广泛,如:航天、机械、建筑、存储等,在应用过程中主要起吸声、隔热、保温等作用,由此可见,研究多孔碳基复合材料很有现实意义。本文先以碱催化法合成了环境友好型的水溶性酚醛树脂,再通过水热合成反应制备了碳球粒子,然后将二者混合制备出多孔碳前驱体,经过高温热处理后得到多孔碳。利用红外光谱分析仪(FT-IR)对水溶性酚醛树脂及碳球的化学结构进行了分析表征。利用微机控制电子万能试验机、扫描电子显微镜(SEM)、激光导热仪和差示扫描量热仪(DSC)等对多孔碳的力学性能、微观形貌及热性能进行了表征。结果发现:碳球添加量为10%时,制备出的多孔碳综合性能最佳;该多孔碳的表观密度为1.035 g·cm~(-3);压缩强度为7.04 MPa,压缩断裂模式为脆性断裂;弯曲强度为7.69 MPa;同时,表现出了良好的抗热震性能。测定其导热系数,发现该多孔碳在室温下的导热系数为0.097 W·m~(-1)·℃~(-1),300℃下的导热系数为0.241 W·m~(-1)·℃~(-1)。为了制备性能良好的多孔碳基复合材料,我们选择自身性能优良的高硅氧玻璃纤维为增强材料,形成碳球、高硅氧玻璃纤维及水溶性酚醛树脂的混合体系,通过碳化过程,得到多孔碳基复合材料。利用微机控制电子万能试验机、扫描电子显微镜(SEM)、激光导热仪等对多孔碳基复合材料的力学性能、微观形貌及热性能进行了表征。结果表明:当纤维添加量为6%时,多孔碳基复合材料的各项性能较佳。其压缩强度和弯曲强度分别为7.55 MPa和8.20 MPa,抗热震性能良好,与多孔碳材料相比,多孔碳基复合材料的导热系数略有增加,在室温下的导热系数为0.254W·m~(-1)·℃~(-1),300℃时的导热系数为0.442 W·m~(-1)·℃~(-1)。同时基于ANSYS有限元分析软件,对多孔碳的传热过程进行了探索性的模拟,通过温度分布云图,得到传热模型。可以看出每个泡孔区域,均涵盖多个不同温区,这是因为气体的热导率远远小于固相热导率造成的。
【学位单位】：西安工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB332
【部分图文】：

多孔碳,电镜,图片

（a）网状开孔型[2]（b）闭孔微球型[3]图 1-1 两种不同结构多孔碳的扫面电镜（SEM）图片 20 世纪 60 年代就有学者对多孔碳进行了早期研究。他们通过高沫的方法，得到了具有网状结构的玻璃态多孔碳（RVC foam），用于航空航天、能量储存、过滤装置及催化剂等领域，也由此开新篇章。近年来，多孔碳的研究依旧是科学家和广大学者的研究涉及多孔碳的制备、应用及性能优化等。目前多孔碳的制备方法泡法[8-12]、模板法[13-15]、溶胶-凝胶法[16-17]、高频振动光束法[18]、。多孔碳以其独特的微观结构、较高的孔隙率及较大的比表面积、优异的耐腐蚀性能及良好的吸附性能等特性[21]，在航空航天[2级电容器[27-29]、电磁屏蔽材料[30-31]、热控材料[32-34]、过滤及吸附体[21,37-38]、储能材料[39-40]、机械材料[41-42]等领域中均得到了十分[43,44]

碳球,实验装置,恒温

13图 2-1 制备碳球的实验装置3）多孔碳前驱体的制备工艺称取适量的自制水溶性酚醛树脂于烧杯定含量（5 wt.%，10 wt.%，15 wt.%，20 wt.%）称取模板粒子（碳球，机械搅拌一段时间后，超声分散 2~3 h，形成均相混合体系，注入模具中进行模压成型；室温下放置 20~24 h，然后置于烘箱中固化（艺为：65℃恒温 7~8 h，80℃恒温 3~4 h，105℃恒温 7~8 h，120℃恒温时长为 20~24 h。），随后将模具取出，冷却至室温，脱模，即得到多多孔碳的制备固化所得的多孔碳前驱体装入氧化铝瓷舟，置于管式电阻炉中，在 N进行程序化升温加热碳化，升温控制如下：以 1.5 ℃·min-1升温速率由350℃，保持 30 min；再以 1.5 ℃·min-1的速率升至 500℃，恒温 1 h，

弯曲强度,试样尺寸,测试装置,多孔碳

（b）图 2-4 弯曲强度测试装置配制图和试样尺寸图（a）弯曲强度测试装置配制图；（b）弯曲强度测试试样尺寸图析（TG）国TA公司生产的Q500型热重分析仪对多孔碳前驱体的热失重用于指导碳化工艺的制定。件：N2气氛，升温速率为 15 ℃·min-1。描量热分析（DSC）国 TA 公司生产的 Q2000 型差示扫描量热分析仪测试多孔碳和比热容，用于导热系数的计算。件：N2气氛，升温速率为 3 ℃·min-1。性能测试

【参考文献】