中孔炭微球/酚醛树脂复合材料的力学及介电性能
发布时间：2021-07-14 20:56
以间苯二酚-甲醛为前驱体、喷雾干燥法可规模制备出中孔炭微球,进一步采用聚乙烯醇对其进行表面致密化处理,再与酚醛树脂热压成型得到中孔炭微球/酚醛树脂复合材料,系统研究了复合材料的力学性能及介电性能。结果表明,所制炭微球具有较窄的粒径分布（110μm）、发达的中孔孔隙（孔容>3.0 cm3/g）。经表面包覆后,中孔炭微球表面致密,形成类"蛋壳"结构。当用于复合材料填料（010%）时,能有效的降低复合材料的密度（1.36g/cm3至1.12 g/cm3）,并显著提升复合材料的力学性能（压缩强度由106MPa增加至168MPa）;在102107Hz频率下,复合材料的介电常数随着炭微球添加量的增加逐渐提高,由4.03.6提高至10.49.1。结果表明,中孔炭微球可作为新一类多功能填料,在降低复合材料密度的同时增加力学性能,并在较宽频率下具备高的介电性能,具有优异的低密度吸波基体材料的应用潜力。
【文章来源】：新型炭材料. 2016,31(03)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
喷雾干燥法制备中孔炭微球流程示意图
IV类曲线，存在明显的滞后环，表明材料中存在大量中孔。由氮气脱附等温线的BJH孔径分布曲线可以看出中孔炭微球孔径是狭窄的单峰分布，得到的平均孔径为6．0nm。中孔炭微球具有较大的孔容，因此使其具有较低的密度，以满足轻质材料的使用要求，其物构参数如表1所示。图1喷雾干燥法制备中孔炭微球流程示意图Fig．1FormationprocessoftheMCMsusingthegeneralspraydryingstrategy．图2(a)中孔炭微球形貌及其粒径分布图，(b)氮气吸脱附等温线及BJH孔径分布图Fig．2(a)SEMimageofMCMsandtheparticlesizedistributionofMCMs，(b)N2adsorption-desorptionisothermsofMCMsandtheirBJHporesizedistributioncurve．表1中孔炭微球结构参数Table1StructureparametersofMCMsVtotalaDBJHbBulkdensityParticlesizedistributionc3．1cm3/g6．0nm0．31g/cm31-10μmNote:a:Totalporevolume;b:BJHdesorptionaverageporediameter;c:measuredusingDSLmeasurement．3．2表面处理后中孔炭微球结构特征因中孔炭微球表面存在孔洞，为阻止在复合过程中酚醛树脂溶液进入微球堵塞内部网络结构，进而造成减重效果降低，故使用聚乙烯醇溶液对中孔炭微球进行了表面包覆。如图3(a)，(b)所示，包覆前的中孔炭微球表面较为粗糙，且存在较多明显的孔洞，图3(c)所示显示微球内部存在发达的孔道结构。经对比发现，经过聚乙烯醇包覆的中孔炭微球表面光滑，聚乙烯醇膜可以有效覆盖微球表面孔洞，形成类“蛋壳”结构，如图3(d)，(e)所示。通过图3(f)所示TEM图可以看出，包覆后的中孔炭微球内部孔道结构并未发生变化，说明聚乙烯醇只是在微球表面成膜包覆，并未进入到微球内部，类“蛋壳”结构较好地保护了微球内部的孔道结构，
图3聚乙烯醇包覆前后中孔炭微球SEM及TEM照片，(a)，(b)包覆前SEM照片，(c)包覆前TEM照片，(d)，(e)包覆后SEM照片，(f)包覆后TEM照片Fig．3SEMandTEMimagesofMCMsbeforeandaftercoatingwithPVA，(a)，(b)SEMimagesbeforecoating，(c)TEMimagebeforecoating，(d)，(e)SEMimagesaftercoatingand(f)TEMimageaftercoating．图4不同中孔炭微球添加量复合材料的密度Fig．4ThedensityofcompositeswithdifferentcontentsofMCMs．对不同微球添加量复合材料的力学性能进行了表征，其应力应变曲线如图5所示。纯树脂基体的压缩强度为106MPa(表2)，随着中孔炭微球添加量的增加，树脂基体力学性能得到较大改善。1%中孔炭微球添加量的复合材料压缩强度提高到了122MPa，随着添加量进一步增加到5%，复合材料压缩强度提高到了168MPa，当添加量为10%时，复合材料强度略微下降到163MPa。同时复合材料的杨氏模量随着中孔炭微球的加入逐渐减小，意味着材料韧性的提高。这是由于加入的中孔炭微球均匀地分散在树脂基体中，受到压缩时可以有效地分散应力，增加其抗压强度。而过多的微球添加量可能会造成局部中孔炭微球聚集，使微球之间失去连续的树脂基体，相当于给树脂引入了缺陷，造成了复合材料强度的略微降低。同时，微球与树脂的界面粘结强度对复合材料的强度有较大影响，表面包覆的聚乙烯醇具有较多官能团，可增强与树脂基体的结合能力，使复合材料保持较高强度。图5不同炭微球添加量复合材料的压缩应力-应变图Fig．5Thecompressivestrain-stresscurvesofcompositeswithdifferentcontentsofMCMs．·304·新型炭材料第31卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔碳的制备及HMTA对其微波介电性能的影响[J]. 王妍,杨子,黄云霞,黄民松,缘依依,陈盼. 电子科技. 2015(04)
[2]螺旋形炭纤维的吸波性能(英文)[J]. 沈曾民,戈敏,赵东林. 新型炭材料. 2005(04)
本文编号：3284880
【文章来源】：新型炭材料. 2016,31(03)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
喷雾干燥法制备中孔炭微球流程示意图
IV类曲线，存在明显的滞后环，表明材料中存在大量中孔。由氮气脱附等温线的BJH孔径分布曲线可以看出中孔炭微球孔径是狭窄的单峰分布，得到的平均孔径为6．0nm。中孔炭微球具有较大的孔容，因此使其具有较低的密度，以满足轻质材料的使用要求，其物构参数如表1所示。图1喷雾干燥法制备中孔炭微球流程示意图Fig．1FormationprocessoftheMCMsusingthegeneralspraydryingstrategy．图2(a)中孔炭微球形貌及其粒径分布图，(b)氮气吸脱附等温线及BJH孔径分布图Fig．2(a)SEMimageofMCMsandtheparticlesizedistributionofMCMs，(b)N2adsorption-desorptionisothermsofMCMsandtheirBJHporesizedistributioncurve．表1中孔炭微球结构参数Table1StructureparametersofMCMsVtotalaDBJHbBulkdensityParticlesizedistributionc3．1cm3/g6．0nm0．31g/cm31-10μmNote:a:Totalporevolume;b:BJHdesorptionaverageporediameter;c:measuredusingDSLmeasurement．3．2表面处理后中孔炭微球结构特征因中孔炭微球表面存在孔洞，为阻止在复合过程中酚醛树脂溶液进入微球堵塞内部网络结构，进而造成减重效果降低，故使用聚乙烯醇溶液对中孔炭微球进行了表面包覆。如图3(a)，(b)所示，包覆前的中孔炭微球表面较为粗糙，且存在较多明显的孔洞，图3(c)所示显示微球内部存在发达的孔道结构。经对比发现，经过聚乙烯醇包覆的中孔炭微球表面光滑，聚乙烯醇膜可以有效覆盖微球表面孔洞，形成类“蛋壳”结构，如图3(d)，(e)所示。通过图3(f)所示TEM图可以看出，包覆后的中孔炭微球内部孔道结构并未发生变化，说明聚乙烯醇只是在微球表面成膜包覆，并未进入到微球内部，类“蛋壳”结构较好地保护了微球内部的孔道结构，
图3聚乙烯醇包覆前后中孔炭微球SEM及TEM照片，(a)，(b)包覆前SEM照片，(c)包覆前TEM照片，(d)，(e)包覆后SEM照片，(f)包覆后TEM照片Fig．3SEMandTEMimagesofMCMsbeforeandaftercoatingwithPVA，(a)，(b)SEMimagesbeforecoating，(c)TEMimagebeforecoating，(d)，(e)SEMimagesaftercoatingand(f)TEMimageaftercoating．图4不同中孔炭微球添加量复合材料的密度Fig．4ThedensityofcompositeswithdifferentcontentsofMCMs．对不同微球添加量复合材料的力学性能进行了表征，其应力应变曲线如图5所示。纯树脂基体的压缩强度为106MPa(表2)，随着中孔炭微球添加量的增加，树脂基体力学性能得到较大改善。1%中孔炭微球添加量的复合材料压缩强度提高到了122MPa，随着添加量进一步增加到5%，复合材料压缩强度提高到了168MPa，当添加量为10%时，复合材料强度略微下降到163MPa。同时复合材料的杨氏模量随着中孔炭微球的加入逐渐减小，意味着材料韧性的提高。这是由于加入的中孔炭微球均匀地分散在树脂基体中，受到压缩时可以有效地分散应力，增加其抗压强度。而过多的微球添加量可能会造成局部中孔炭微球聚集，使微球之间失去连续的树脂基体，相当于给树脂引入了缺陷，造成了复合材料强度的略微降低。同时，微球与树脂的界面粘结强度对复合材料的强度有较大影响，表面包覆的聚乙烯醇具有较多官能团，可增强与树脂基体的结合能力，使复合材料保持较高强度。图5不同炭微球添加量复合材料的压缩应力-应变图Fig．5Thecompressivestrain-stresscurvesofcompositeswithdifferentcontentsofMCMs．·304·新型炭材料第31卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔碳的制备及HMTA对其微波介电性能的影响[J]. 王妍,杨子,黄云霞,黄民松,缘依依,陈盼. 电子科技. 2015(04)
[2]螺旋形炭纤维的吸波性能(英文)[J]. 沈曾民,戈敏,赵东林. 新型炭材料. 2005(04)
本文编号：3284880
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