蔗糖/环氧碳泡沫的可控制备及其导热性能模拟研究
发布时间：2021-02-19 18:54
碳泡沫材料由于碳源及制备工艺的多样性,表现出许多优异的物理性能,如重量轻、良好的热稳定性,导热系数低等,在航空航天领域有着良好的应用前景。对于碳泡沫的制备而言,碳源的选择至关重要。目前的实验研究中,制备碳泡沫的碳源大部分为沥青、煤、树脂等不可再生资源,并且制备过程中的中间产物对环境污染严重,同时,制备的碳泡沫材料稳定性较差、原料及制备工艺成本高、生产周期较长。针对这一研究现状,基于绿色低成本蔗糖基碳泡沫的研究,本文提出采用蔗糖为碳源、环氧稀释剂作为凝胶固碳体系、植物蛋白作为发泡剂,通过凝胶注模结合物理发泡的方法制备出孔隙均匀的碳泡沫,研究了工艺参数对其微观形貌、物理性能及力学性能的影响,探究其参数-结构-性能之间的关系。并且碳泡沫的导热系数与结构之间满足一定的规律,为了更好的掌握结构-热导率的关系,通过建立三维模型,对碳泡沫的导热性能进行有限元分析,将模拟结果与测试结果对比,验证通过计算方式预测碳泡沫热导率的可行性。通过实验制备得到了大尺寸的表面结构均匀完整的蔗糖/环氧碳泡沫材料,研究了组分含量（蔗糖及发泡剂）对其结构和性能的影响。研究结果表明:随着蔗糖含量的增加,溶液的粘度逐渐提高并...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国X系列飞机a）X-37B；b）X-51A热防护措施的一种有效方法就是使用热防护材料
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4大致可以分为以下几种：发泡法、模板法、溶胶凝胶法、乳液法、压制石墨法、其他制备方法。（1）发泡法碳泡沫的发泡法从发泡原理上可以分为两种：第一种是化学发泡，主要利用材料本身或外加组分在热处理过程中发生化学变化分解产生的气体发泡；第二种是物理发泡，一般先在体系中加入发泡剂，经机械搅拌或降低压力的方式产生气孔，发泡过程不涉及化学变化。化学发泡一般多应用于沥青、煤焦油等高粘度碳前驱体的碳泡沫制备中[17,18]。Yang[19]等利用沥青热解发泡制备出密度0.16~0.52g/cm3的碳泡沫材料。相比于化学发泡，利用高表面活性的发泡剂进行发泡，可以获得残碳量高的碳泡沫材料[20,21]。LiS[22]等人以聚芳炔预聚体作为碳源，以正戊烷为发泡剂，硫酸为催化剂制备具有高力学强度的碳泡沫材料，碳泡沫的压缩强度高达25.8MPa。甘礼华[23]等以正戊烷为发泡剂，酚醛树脂作为碳源，通过改变发泡剂用量，制备得到密度为0.082~0.2g/cm3的碳泡沫材料。图1-2聚芳炔预聚体为前驱体化学剂发泡法制备碳泡沫SEM图[22]（2）模板法模板法就是将模板与前驱体混合碳化后，将模板去除，得到碳泡沫材料。根据模板的特点，可以分为软模板法和硬模板法，也是制备泡沫材料的常用方法，通过控制模板及工艺条件，可以制备出不同宏观、微观结构的碳泡沫材料，并且制备过程中的碳损失较校模板法工艺周期较长，碳泡沫强度较低，但由于可控性良好，被广泛应用在净化、催化等领域[24]。图1-3显示了模板法制备碳泡沫的工艺流程。(a)(b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5图1-3模板法制备碳泡沫的原理聚氨酯泡沫常用作制备碳泡沫的模板，图1-4是以聚氨酯泡沫为模板制备的蜂窝状碳泡沫的电镜图，将模板浸渍在苯酚、糠醇或环氧树脂中，经过碳化后制备出网状玻璃态碳泡沫（RVC）[25]。碳泡沫的密度及孔隙率主要受聚氨酯模板的孔径尺寸和孔隙率的影响。Xiao[26]等以聚氨酯泡沫、聚酰胺酸和镍分别作为模板、碳源和催化剂，采用硬模板和催化石墨化法相结合的技术制备得到了碳泡沫。该碳泡沫的腔孔壁是由直径30~80um的碳球原位自组装形成的。碳泡沫中的开放空腔的直径平均约为500um。热重分析表明，碳纳米球占碳泡沫质量的85%。Inagaki[27]等以聚氨酯泡沫塑料为模板，成功制得了聚酰亚胺和碳泡沫材料。聚酰亚胺前驱体浸渍到聚酰胺酸后，在200℃反应生成了聚氨酯／聚酰亚胺复合泡沫，然后进行碳化和石墨化处理，形成碳泡沫。图1-4蜂窝状孔结构碳泡沫SEM（3）溶胶凝胶法以有机聚合物作为碳源制备碳泡沫常用溶胶凝胶法。溶胶凝胶法制备碳泡沫的一般步骤是：首先制备溶胶和凝胶，利用超声临界干燥去除溶剂，经热解碳化后形成碳泡沫。Arnold[28]等人以聚丙烯腈作为原料，制备聚丙烯腈凝胶，碳化后获
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔材料等效导热系数与分形维数关系的数值模拟研究[J]. 李守巨,刘迎曦,于贺. 岩土力学. 2009(05)
[2]蜂窝材料的非线性剪切行为[J]. 蓝林华,富明慧,陈雁云. 固体力学学报. 2008(04)
[3]正戊烷发泡法制备多孔碳泡沫材料[J]. 甘礼华,刘明贤,王曦,田辞. 同济大学学报(自然科学版). 2008(11)
[4]碳泡沫材料及其在航天航空中的应用[J]. 居建国,李文晓,薛元德. 上海航天. 2008(02)
[5]前驱体对炭泡沫孔结构的影响(英文)[J]. 闵振华,曹敏,张书,王秀丹,王永刚. 新型炭材料. 2007(01)
[6]高超声速飞行器——未来的飞行工具[J]. 郭迪龙. 百科知识. 2005(03)
[7]高超声速飞行器概念及发展动态[J]. 解发瑜,李刚,徐忠昌. 飞航导弹. 2004(05)
[8]美国空天飞机用先进材料最新进展[J]. 邱惠中. 宇航材料工艺. 1994(06)
博士论文
[1]可重复使用运载器热防护系统性能分析研究[D]. 马忠辉.西北工业大学 2004
硕士论文
[1]凝胶注模成型结合物理发泡制备碳泡沫及其性能研究[D]. 姚尧.武汉理工大学 2016
[2]多孔石墨泡沫材料的流动及导热性能研究[D]. 凌娅.重庆大学 2012
[3]复合材料参数化随机单胞模型及应用[D]. 欧阳勇.湘潭大学 2012
[4]碳泡沫的制备及其电化学性能研究[D]. 商晓陈.长沙理工大学 2011
本文编号：3041541
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国X系列飞机a）X-37B；b）X-51A热防护措施的一种有效方法就是使用热防护材料
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4大致可以分为以下几种：发泡法、模板法、溶胶凝胶法、乳液法、压制石墨法、其他制备方法。（1）发泡法碳泡沫的发泡法从发泡原理上可以分为两种：第一种是化学发泡，主要利用材料本身或外加组分在热处理过程中发生化学变化分解产生的气体发泡；第二种是物理发泡，一般先在体系中加入发泡剂，经机械搅拌或降低压力的方式产生气孔，发泡过程不涉及化学变化。化学发泡一般多应用于沥青、煤焦油等高粘度碳前驱体的碳泡沫制备中[17,18]。Yang[19]等利用沥青热解发泡制备出密度0.16~0.52g/cm3的碳泡沫材料。相比于化学发泡，利用高表面活性的发泡剂进行发泡，可以获得残碳量高的碳泡沫材料[20,21]。LiS[22]等人以聚芳炔预聚体作为碳源，以正戊烷为发泡剂，硫酸为催化剂制备具有高力学强度的碳泡沫材料，碳泡沫的压缩强度高达25.8MPa。甘礼华[23]等以正戊烷为发泡剂，酚醛树脂作为碳源，通过改变发泡剂用量，制备得到密度为0.082~0.2g/cm3的碳泡沫材料。图1-2聚芳炔预聚体为前驱体化学剂发泡法制备碳泡沫SEM图[22]（2）模板法模板法就是将模板与前驱体混合碳化后，将模板去除，得到碳泡沫材料。根据模板的特点，可以分为软模板法和硬模板法，也是制备泡沫材料的常用方法，通过控制模板及工艺条件，可以制备出不同宏观、微观结构的碳泡沫材料，并且制备过程中的碳损失较校模板法工艺周期较长，碳泡沫强度较低，但由于可控性良好，被广泛应用在净化、催化等领域[24]。图1-3显示了模板法制备碳泡沫的工艺流程。(a)(b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5图1-3模板法制备碳泡沫的原理聚氨酯泡沫常用作制备碳泡沫的模板，图1-4是以聚氨酯泡沫为模板制备的蜂窝状碳泡沫的电镜图，将模板浸渍在苯酚、糠醇或环氧树脂中，经过碳化后制备出网状玻璃态碳泡沫（RVC）[25]。碳泡沫的密度及孔隙率主要受聚氨酯模板的孔径尺寸和孔隙率的影响。Xiao[26]等以聚氨酯泡沫、聚酰胺酸和镍分别作为模板、碳源和催化剂，采用硬模板和催化石墨化法相结合的技术制备得到了碳泡沫。该碳泡沫的腔孔壁是由直径30~80um的碳球原位自组装形成的。碳泡沫中的开放空腔的直径平均约为500um。热重分析表明，碳纳米球占碳泡沫质量的85%。Inagaki[27]等以聚氨酯泡沫塑料为模板，成功制得了聚酰亚胺和碳泡沫材料。聚酰亚胺前驱体浸渍到聚酰胺酸后，在200℃反应生成了聚氨酯／聚酰亚胺复合泡沫，然后进行碳化和石墨化处理，形成碳泡沫。图1-4蜂窝状孔结构碳泡沫SEM（3）溶胶凝胶法以有机聚合物作为碳源制备碳泡沫常用溶胶凝胶法。溶胶凝胶法制备碳泡沫的一般步骤是：首先制备溶胶和凝胶，利用超声临界干燥去除溶剂，经热解碳化后形成碳泡沫。Arnold[28]等人以聚丙烯腈作为原料，制备聚丙烯腈凝胶，碳化后获
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔材料等效导热系数与分形维数关系的数值模拟研究[J]. 李守巨,刘迎曦,于贺. 岩土力学. 2009(05)
[2]蜂窝材料的非线性剪切行为[J]. 蓝林华,富明慧,陈雁云. 固体力学学报. 2008(04)
[3]正戊烷发泡法制备多孔碳泡沫材料[J]. 甘礼华,刘明贤,王曦,田辞. 同济大学学报(自然科学版). 2008(11)
[4]碳泡沫材料及其在航天航空中的应用[J]. 居建国,李文晓,薛元德. 上海航天. 2008(02)
[5]前驱体对炭泡沫孔结构的影响(英文)[J]. 闵振华,曹敏,张书,王秀丹,王永刚. 新型炭材料. 2007(01)
[6]高超声速飞行器——未来的飞行工具[J]. 郭迪龙. 百科知识. 2005(03)
[7]高超声速飞行器概念及发展动态[J]. 解发瑜,李刚,徐忠昌. 飞航导弹. 2004(05)
[8]美国空天飞机用先进材料最新进展[J]. 邱惠中. 宇航材料工艺. 1994(06)
博士论文
[1]可重复使用运载器热防护系统性能分析研究[D]. 马忠辉.西北工业大学 2004
硕士论文
[1]凝胶注模成型结合物理发泡制备碳泡沫及其性能研究[D]. 姚尧.武汉理工大学 2016
[2]多孔石墨泡沫材料的流动及导热性能研究[D]. 凌娅.重庆大学 2012
[3]复合材料参数化随机单胞模型及应用[D]. 欧阳勇.湘潭大学 2012
[4]碳泡沫的制备及其电化学性能研究[D]. 商晓陈.长沙理工大学 2011
本文编号：3041541
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