中间相沥青基泡沫炭的制备及性能研究

论文摘要

中间相沥青基泡沫炭是以中间相沥青为原料,经过发泡、固化、炭化、石墨化等制备过程所得到的一种新型炭泡沫材料。它所特有的泡孔结构以及其原料结构性质决定了中间相沥青基泡沫炭作为高尖端工程材料的优越性,中间相沥青基泡沫炭的优越性能源于其理想的泡孔结构。发泡工艺和前驱体性质是决定孔径分布、开孔情况的重要因素。本文以热缩聚方法制备中间相沥青,再以自制中间相沥青和日本三菱中间相沥青为前驱体采用自挥发方法制备泡沫炭,经焦化、炭化、石墨化获得最终产品。本文在研究中间相沥青及其泡沫炭制备工艺的基础上,重点考察了原料前躯体和制备方法对中间相沥青基泡沫炭结构和性能的影响,并对泡沫炭微裂纹的控制进行了讨论,力图建立起制备高性能中间相沥青基泡沫炭的方法体系。利用不同热缩聚时间在420℃时分别制备了一系列中间相沥青,并以自制的沥青为原料发泡制备了一系列泡沫炭,对中间相沥青基泡沫炭的制备进行了初步研究。研究发现较长时间制备的中间相沥青呈现纤维状结构。以由4小时和5.5小时制备的中间相沥青为原料制备的泡沫炭泡孔结构不均匀,而以6.5小时以上制备中间相沥青为原料制备的泡沫炭孔结构较均匀,结构良好。利用较长时间热缩聚可以制备高软化点的中间相沥青,本文提出了一种较简单的低压制备中间相沥青基泡沫炭的方法。通过对所制备的泡沫炭物理特点、表面形貌和微晶参数的研究,发现可以在0.5-2MPa的压力范围内制备的泡沫炭体积密度范围为0.514-0.624 g/cm3。SEM照片显示由高软化点沥青制备的泡沫炭,炭化和石墨化后显示较小的热收缩。OM照片显示由高软化点沥青制备的泡沫炭无论在节点还是在韧带处都具有较少的微裂纹。XRD数据显示由较高软化点沥青制备的泡沫炭石墨化后具有较小的石墨层间距和较大的微晶尺寸。本文提出的方法可以显示降低制备泡沫炭的压力并降低制备成本。利用不同的热缩聚时间制备了两种具有不同中间相含量的沥青,并以此沥青为原料发泡制备泡沫炭,研究发现由100%中间相含量的沥青制备泡沫时可以在较宽的温度范围内成功制备样品。而由非100%中间相含量的沥青制备泡沫炭时,只能在沥青的最大热失重处停留较长时间才可以成功制备泡沫炭。由100%中间相含量的沥青制备的泡沫炭石墨化后具有较好的炭层取向和较大的微晶尺寸。利用具有不同天然石墨含量的中间相沥青成功制备了天然石墨/中间相沥青基泡沫炭复合材料,并对泡沫炭结构和天然石墨的添加量之间的关系进行了研究。研究表明天然石墨的添加可以明显减少泡沫炭的微裂纹,当天然石墨的添加量为30%的时候泡沫炭的比压缩强度从2.0MPa/g.cm3提高到5.84MPa/g.cm3,而且随着天然石墨的添加量的增加石墨微晶的层间距先减小后增大。光学照片显示天然石墨的添加明显减小了泡沫炭光学区域的尺寸。从固化方式的角度考察了氧化固化和焦化固化方式对泡沫炭结构及性能的影响并以三菱AR中间相沥青为原料对发泡机理进行了初步研究。利用SEM、XRD、偏光显微镜等测试手段对泡沫炭微观形貌、孔隙分布等结构参数进行了表征分析。研究表明长时间焦化固化方式比氧化固化方式制备的泡沫炭具有更好的分子取向和较少的微裂纹,石墨化后具有较小的层间距（0.3376nm和0.3381nm）;泡沫炭的泡孔形状受体积密度的影响,当体积密度较小时在平行重力方向是椭圆形而在垂直重力方向是圆形,并且气泡首先在沥青上表面形成。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 泡沫炭原料中间相沥青的制备和形成机理
• 1.2.1 中间相沥青的制备
• 1.2.2 中间相沥青的形成机理
• 1.3 中间相沥青基泡沫炭
• 1.3.1 泡沫炭的研究进展
• 1.3.2 中间相沥青基泡沫炭的制备过程
• 1.3.3 中间相沥青基泡沫炭的制备原理和影响因素
• 1.3.3.1 压力对中间相沥青基泡沫炭性能特点的影响
• 1.3.3.2 原料对泡沫炭结构和性能的影响
• 1.3.3.3 其它发泡条件影响
• 1.3.4 中间相沥青基泡沫炭的性质
• 1.3.5 中间相沥青基泡沫炭的应用
• 1.4 论文工作的提出及研究内容
• 1.4.1 由中间相沥青直接制备泡沫炭的研究中存在的问题
• 1.4.2 中间相沥青基泡沫炭微缺陷和性能之间的关系
• 1.4.3 中间相沥青基泡沫炭气孔的形成过程
• 1.4.4 论文的研究内容
• 第二章 沥青前驱体对泡沫炭结构的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 中间相沥青的制备
• 2.2.2 中间相沥青基泡沫炭的制备
• 2.2.3 中间相沥青和泡沫炭的表征
• 2.2.3.1 偏光显微镜表征（OM）
• 2.2.3.2 扫描电子显微镜观察（SEM）
• 2.2.3.3 密度和孔隙率测试
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 不同反应时间对中间相沥青特点的影响
• 2.3.2 不同反应时间的中间相沥青制得的中间相沥青基泡沫炭
• 2.4 本章小结
• 第三章 低压制备中间相沥青基泡沫炭
• 3.1 引言
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 中间相沥青的制备
• 3.2.2 中间相沥青基泡沫炭的制备
• 3.2.3 炭化和石墨化处理
• 3.2.4 中间相沥青和泡沫炭的表征
• 3.2.4.1 偏振光显微镜观察
• 3.2.4.2 扫描电子显微镜观察
• 3.2.4.3 X 射线衍射分析（XRD）
• 3.2.5 其他测试与分析
• 3.2.5.1 软化点与族组成测试
• 3.2.5.2 热失重分析（TG）
• 3.2.5.3 密度和孔隙率测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 反应时间对中间相沥青特点的影响
• 3.3.2 泡沫炭 SEM 照片的分析
• 3.3.3 泡沫炭的光学照片分析
• 3.3.4 石墨化泡沫炭的 XRD 数据分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 中间相含量对泡沫炭结构和性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 中间相沥青的制备
• 4.2.2 泡沫炭的制备过程
• 4.2.3 泡沫炭的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 中间相沥青的表征
• 4.3.2 中间相沥青基泡沫炭的 SEM 表征
• 4.3.3 中间相沥青基泡沫炭的光学照片表征
• 4.4 本章小结
• 第五章 中间相沥青基泡沫炭/天然石墨复合材料的制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 泡沫炭的制备
• 5.2.3 泡沫炭/天然石墨材料的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 添加天然石墨的泡沫炭的 SEM 表征
• 5.3.2 添加天然石墨的泡沫炭的光学照片分析
• 5.3.3 添加天然石墨的泡沫炭的晶体参数分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 中间相沥青基泡沫炭微裂纹的控制
• 6.1 引言
• 6.2 中间相沥青基泡沫炭的制备
• 6.2.1 原料的性质和特点
• 6.2.2 泡沫炭的制备
• 6.2.3 泡沫炭样品的表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 固化方式对泡沫炭结构和性能的影响
• 6.3.2 泡沫炭微裂纹的控制
• 6.4 本章小结
• 第七章 中间相沥青基泡沫炭的气泡生长过程研究
• 7.1 引言
• 7.2 中间相沥青基泡沫炭的制备
• 7.2.1 泡沫炭的制备原料
• 7.2.2 泡沫炭的制备
• 7.2.3 泡沫炭和沥青样品的表征
• 7.3 结果和讨论
• 7.3.1 中间相沥青的热分析
• 7.3.2 扫描电镜下的表面显微特征
• 7.3.3 光学显微照片分析
• 7.3.4 泡沫气孔生长过程探讨
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论及展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 论文的主要创新点
• 8.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 参加科研和发表论文情况
• 附录：符号说明
• 致谢