基于SLS的高强度低密石墨陶瓷复合隔热材料快速制备
发布时间：2021-08-30 20:05
本文率先利用选择性激光烧结技术快速制备了高强度石墨陶瓷复合隔热材料,重点研究了二次固化、真空压力浸渍、碳化和高温烧结等后处理工艺以及材料配方组成对其密度、抗压强度和导热系数的影响。研究发现加入适量的硅粉和可膨胀石墨可以对石墨陶瓷复合隔热材料的密度、抗压强度和导热系数进行调控,采取合适后处理工艺路线可以改变石墨陶瓷复合隔热材料的综合性能。最终实现了低密度（<1.2 g/cm3）、高抗压强度（>10 MPa）、低的导热系数（<2 W/（m·K））和耐高温（>1 650℃）等多个性能指标的统一,满足了工业应用需求。
【文章来源】：功能材料. 2020,51(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
真空压力浸渍、碳化、高温烧结后处理工艺路线
图2为1#配方样件经二次固化、真空压力浸渍、碳化和高温烧结等后处理工艺对密度、抗压强度和导热系数的影响。可以看出,其抗压强度表现为先上升后下降再上升变化规律,而导热系数和密度则一直呈上升趋势。这是因为在激光能量作用下部分酚醛树脂粉末固化,将天然鳞片石墨粉末粘结起来,因粘接剂数量有限,石墨片之间连接点相对较少,故石墨片间结合力较弱,且选择性激光烧结成型的素坯内部疏松多孔(如图3(a)所示),造成素坯的密度、抗压强度和导热系数均较低,仅0.45 g/cm3、1.21 MPa和0.79 W/(m·K)。二次固化后,试样密度、抗压强度和导热系数有所增加,分别达到0.52g/cm3、2.01 MPa和1.01 W/(m·K),这是因为在外加温度场作用下,试样内部未烧结固化的酚醛树脂粉末软化,在重力作用下天然鳞片石墨粉末局部产生了蠕动,使之石墨片间结合更加紧密,孔隙有所减少[13](如图3(b)所示)。真空压力浸渍酚醛树脂处理后,大量的酚醛树脂液渗入试样孔隙中,致使密度和抗压强度大幅度增加,分别上升至0.89 g/cm3和12.98 MPa(如图3(c)所示)。虽然酚醛树脂为低导热材料(其导热系数仅为0.29 W/(m·K)),但其填充了内部的孔隙,造成石墨片之间接触点增加,增大了粉末间的固相热传导,试样导热系数增加至1.64 W/(m·K)。碳化后,酚醛树脂转化成玻璃碳(其转化率70%～80%,玻璃碳为高导热材料,其导热系数为6.3 W/(m·K)),实现了有机粘结剂向无机粘结剂的转变,酚醛树脂碳化过程产生了气孔,削弱了天然鳞片石墨粉末间的连接强度(如图3(d)所示),此外,碳化后试样体积收缩了2%～3%,内部更加致密[14],综上所述,故碳化后试样的抗压强度大幅度下降至6.17 MPa,而导热系数上升至2.26 W/(m·K)。在高温烧结过程中,玻璃碳与渗入的纳米二氧化硅发生原位反应生成碳化硅和碳化硅晶须,并伴随着30%体积膨胀,一方面试样密度有所增加(1.01 g/cm3)(如图3(e)所示),另外一方面增加了石墨层间连接强度。碳化硅为导热增强相,增加了颗粒间的固相热传导。因此,试样抗压强度和导热系数均得到提升,分别达到8.76 MPa和2.95 W/(m·K)。
这是因为在激光能量作用下部分酚醛树脂粉末固化,将天然鳞片石墨粉末粘结起来,因粘接剂数量有限,石墨片之间连接点相对较少,故石墨片间结合力较弱,且选择性激光烧结成型的素坯内部疏松多孔(如图3(a)所示),造成素坯的密度、抗压强度和导热系数均较低,仅0.45 g/cm3、1.21 MPa和0.79 W/(m·K)。二次固化后,试样密度、抗压强度和导热系数有所增加,分别达到0.52g/cm3、2.01 MPa和1.01 W/(m·K),这是因为在外加温度场作用下,试样内部未烧结固化的酚醛树脂粉末软化,在重力作用下天然鳞片石墨粉末局部产生了蠕动,使之石墨片间结合更加紧密,孔隙有所减少[13](如图3(b)所示)。真空压力浸渍酚醛树脂处理后,大量的酚醛树脂液渗入试样孔隙中,致使密度和抗压强度大幅度增加,分别上升至0.89 g/cm3和12.98 MPa(如图3(c)所示)。虽然酚醛树脂为低导热材料(其导热系数仅为0.29 W/(m·K)),但其填充了内部的孔隙,造成石墨片之间接触点增加,增大了粉末间的固相热传导,试样导热系数增加至1.64 W/(m·K)。碳化后,酚醛树脂转化成玻璃碳(其转化率70%～80%,玻璃碳为高导热材料,其导热系数为6.3 W/(m·K)),实现了有机粘结剂向无机粘结剂的转变,酚醛树脂碳化过程产生了气孔,削弱了天然鳞片石墨粉末间的连接强度(如图3(d)所示),此外,碳化后试样体积收缩了2%～3%,内部更加致密[14],综上所述,故碳化后试样的抗压强度大幅度下降至6.17 MPa,而导热系数上升至2.26 W/(m·K)。在高温烧结过程中,玻璃碳与渗入的纳米二氧化硅发生原位反应生成碳化硅和碳化硅晶须,并伴随着30%体积膨胀,一方面试样密度有所增加(1.01 g/cm3)(如图3(e)所示),另外一方面增加了石墨层间连接强度。碳化硅为导热增强相,增加了颗粒间的固相热传导。因此,试样抗压强度和导热系数均得到提升,分别达到8.76 MPa和2.95 W/(m·K)。总之,选择性激光烧结成型素坯内部疏松多孔,导热系数和抗压强度均较低,经二次固化、真空压力浸渍酚醛树脂液、碳化、真空压力浸渍硅溶胶和高温烧结等一系列后处理,其抗压强度上升至8.76 MPa,较素坯提高了7倍,但其导热系数也达到2.95 W/(m·K),增加了近4倍,而且其密度有所增加。由于实现了有机粘结剂向无机粘结剂的转变,隔热材料耐高温性能可以得到保证。
【参考文献】：
期刊论文
[1]轻质隔热材料的研究现状及其发展趋势[J]. 李庆彬,潘志华. 硅酸盐通报. 2011(05)
[2]隔热材料的研究现状及发展[J]. 杨震,卿宁. 化工新型材料. 2011(05)
[3]凝胶注模制备氧化铝多孔陶瓷及性能研究[J]. 刘雪丽,尹洪峰,任耘,张军战. 硅酸盐通报. 2008(06)
[4]DSC对苯基苯酚改性酚醛树脂固化机理研究[J]. 张衍,刘育建,王井岗,韩哲文. 固体火箭技术. 2007(02)
博士论文
[1]高强石墨基复合材料的低成本制备与性能研究[D]. 韩永军.北京科技大学 2015
硕士论文
[1]氧化硅—氧化铝复合高温隔热瓦的制备与性能研究[D]. 刘瑞祥.哈尔滨工业大学 2016
[2]氧化铝陶瓷纤维多孔隔热材料的制备及其性能研究[D]. 郭丰.天津大学 2016
[3]高强低导热氧化铝轻质隔热材料的制备及性能研究[D]. 廖佳.武汉科技大学 2015
[4]低热导复合隔热材料的制备研究[D]. 李涛.武汉理工大学 2011
[5]新型耐高温多层隔热结构研究[D]. 李健芳.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3373418
【文章来源】：功能材料. 2020,51(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
真空压力浸渍、碳化、高温烧结后处理工艺路线
图2为1#配方样件经二次固化、真空压力浸渍、碳化和高温烧结等后处理工艺对密度、抗压强度和导热系数的影响。可以看出,其抗压强度表现为先上升后下降再上升变化规律,而导热系数和密度则一直呈上升趋势。这是因为在激光能量作用下部分酚醛树脂粉末固化,将天然鳞片石墨粉末粘结起来,因粘接剂数量有限,石墨片之间连接点相对较少,故石墨片间结合力较弱,且选择性激光烧结成型的素坯内部疏松多孔(如图3(a)所示),造成素坯的密度、抗压强度和导热系数均较低,仅0.45 g/cm3、1.21 MPa和0.79 W/(m·K)。二次固化后,试样密度、抗压强度和导热系数有所增加,分别达到0.52g/cm3、2.01 MPa和1.01 W/(m·K),这是因为在外加温度场作用下,试样内部未烧结固化的酚醛树脂粉末软化,在重力作用下天然鳞片石墨粉末局部产生了蠕动,使之石墨片间结合更加紧密,孔隙有所减少[13](如图3(b)所示)。真空压力浸渍酚醛树脂处理后,大量的酚醛树脂液渗入试样孔隙中,致使密度和抗压强度大幅度增加,分别上升至0.89 g/cm3和12.98 MPa(如图3(c)所示)。虽然酚醛树脂为低导热材料(其导热系数仅为0.29 W/(m·K)),但其填充了内部的孔隙,造成石墨片之间接触点增加,增大了粉末间的固相热传导,试样导热系数增加至1.64 W/(m·K)。碳化后,酚醛树脂转化成玻璃碳(其转化率70%～80%,玻璃碳为高导热材料,其导热系数为6.3 W/(m·K)),实现了有机粘结剂向无机粘结剂的转变,酚醛树脂碳化过程产生了气孔,削弱了天然鳞片石墨粉末间的连接强度(如图3(d)所示),此外,碳化后试样体积收缩了2%～3%,内部更加致密[14],综上所述,故碳化后试样的抗压强度大幅度下降至6.17 MPa,而导热系数上升至2.26 W/(m·K)。在高温烧结过程中,玻璃碳与渗入的纳米二氧化硅发生原位反应生成碳化硅和碳化硅晶须,并伴随着30%体积膨胀,一方面试样密度有所增加(1.01 g/cm3)(如图3(e)所示),另外一方面增加了石墨层间连接强度。碳化硅为导热增强相,增加了颗粒间的固相热传导。因此,试样抗压强度和导热系数均得到提升,分别达到8.76 MPa和2.95 W/(m·K)。
这是因为在激光能量作用下部分酚醛树脂粉末固化,将天然鳞片石墨粉末粘结起来,因粘接剂数量有限,石墨片之间连接点相对较少,故石墨片间结合力较弱,且选择性激光烧结成型的素坯内部疏松多孔(如图3(a)所示),造成素坯的密度、抗压强度和导热系数均较低,仅0.45 g/cm3、1.21 MPa和0.79 W/(m·K)。二次固化后,试样密度、抗压强度和导热系数有所增加,分别达到0.52g/cm3、2.01 MPa和1.01 W/(m·K),这是因为在外加温度场作用下,试样内部未烧结固化的酚醛树脂粉末软化,在重力作用下天然鳞片石墨粉末局部产生了蠕动,使之石墨片间结合更加紧密,孔隙有所减少[13](如图3(b)所示)。真空压力浸渍酚醛树脂处理后,大量的酚醛树脂液渗入试样孔隙中,致使密度和抗压强度大幅度增加,分别上升至0.89 g/cm3和12.98 MPa(如图3(c)所示)。虽然酚醛树脂为低导热材料(其导热系数仅为0.29 W/(m·K)),但其填充了内部的孔隙,造成石墨片之间接触点增加,增大了粉末间的固相热传导,试样导热系数增加至1.64 W/(m·K)。碳化后,酚醛树脂转化成玻璃碳(其转化率70%～80%,玻璃碳为高导热材料,其导热系数为6.3 W/(m·K)),实现了有机粘结剂向无机粘结剂的转变,酚醛树脂碳化过程产生了气孔,削弱了天然鳞片石墨粉末间的连接强度(如图3(d)所示),此外,碳化后试样体积收缩了2%～3%,内部更加致密[14],综上所述,故碳化后试样的抗压强度大幅度下降至6.17 MPa,而导热系数上升至2.26 W/(m·K)。在高温烧结过程中,玻璃碳与渗入的纳米二氧化硅发生原位反应生成碳化硅和碳化硅晶须,并伴随着30%体积膨胀,一方面试样密度有所增加(1.01 g/cm3)(如图3(e)所示),另外一方面增加了石墨层间连接强度。碳化硅为导热增强相,增加了颗粒间的固相热传导。因此,试样抗压强度和导热系数均得到提升,分别达到8.76 MPa和2.95 W/(m·K)。总之,选择性激光烧结成型素坯内部疏松多孔,导热系数和抗压强度均较低,经二次固化、真空压力浸渍酚醛树脂液、碳化、真空压力浸渍硅溶胶和高温烧结等一系列后处理,其抗压强度上升至8.76 MPa,较素坯提高了7倍,但其导热系数也达到2.95 W/(m·K),增加了近4倍,而且其密度有所增加。由于实现了有机粘结剂向无机粘结剂的转变,隔热材料耐高温性能可以得到保证。
【参考文献】：
期刊论文
[1]轻质隔热材料的研究现状及其发展趋势[J]. 李庆彬,潘志华. 硅酸盐通报. 2011(05)
[2]隔热材料的研究现状及发展[J]. 杨震,卿宁. 化工新型材料. 2011(05)
[3]凝胶注模制备氧化铝多孔陶瓷及性能研究[J]. 刘雪丽,尹洪峰,任耘,张军战. 硅酸盐通报. 2008(06)
[4]DSC对苯基苯酚改性酚醛树脂固化机理研究[J]. 张衍,刘育建,王井岗,韩哲文. 固体火箭技术. 2007(02)
博士论文
[1]高强石墨基复合材料的低成本制备与性能研究[D]. 韩永军.北京科技大学 2015
硕士论文
[1]氧化硅—氧化铝复合高温隔热瓦的制备与性能研究[D]. 刘瑞祥.哈尔滨工业大学 2016
[2]氧化铝陶瓷纤维多孔隔热材料的制备及其性能研究[D]. 郭丰.天津大学 2016
[3]高强低导热氧化铝轻质隔热材料的制备及性能研究[D]. 廖佳.武汉科技大学 2015
[4]低热导复合隔热材料的制备研究[D]. 李涛.武汉理工大学 2011
[5]新型耐高温多层隔热结构研究[D]. 李健芳.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3373418
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