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呋喃树脂炭和PAN基炭纤维的催化石墨化研究

易守军  
【摘要】:炭材料具有良好的力学性能、电学性能以及热物理性能,因而广泛应用于印刷、电极、冶金、化工等行业,而且在航空、电子、海洋、航天等领域也作为工程和结构材料使用。炭材料的各种优异性能取决于本身的石墨化度。炭材料的石墨化通常在高温下进行,为了降低能耗、改善石墨化处理环境,促进难石墨化炭的石墨化,通常添加某些催化剂以实现炭材料的高效石墨化,即催化石墨化。 本论文主要研究了一些新型催化剂及催化剂负载方法对呋喃树脂炭和PAN基炭纤维的催化石墨化。通过X射线衍射、拉曼光谱等对炭材料的石墨化程度进行表征,采用扫描电子显微镜观察炭材料石墨化前后的形貌特征。并就影响因素及催化石墨化机理等进行了探讨,主要研究工作如下: 1)以呋喃树脂为炭源,稀土元素(钇、镧、铈、镨)为石墨化催化剂,研究了稀土元素对呋喃树脂炭的催化石墨化。采用X射线衍射、拉曼光谱及扫描电子显微镜对呋喃树脂炭的催化石墨化进行了表征。结果表明,稀土元素(钇、镧、铈、镨)对呋喃树脂炭均具有催化石墨化作用;催化剂的含量和温度是影响呋喃树脂炭催化石墨化的两个重要因素,钇、铈、镨的最佳含量分别为4wt%、9wt%、15wt%,其中钇的催化石墨化效果最佳;催化石墨化机理遵循碳化物形成与分解机理(低石墨化温度)和溶解析出机理(高石墨化温度)。 2)以石墨氧化物为添加剂,呋喃树脂为炭源,研究了石墨氧化物对呋喃树脂炭的催化石墨化。通过X射线衍射和拉曼光谱等方法对呋喃树脂炭的石墨化进行了表征。研究结果表明,石墨氧化物作为添加剂明显促进了呋喃树脂炭的石墨化,并且随着石墨氧化物添加量的增多以及石墨化温度的升高,呋喃树脂炭的石墨化度增大。 3)以PAN基炭纤维为催化石墨化研究对象,以稀土单质(镨、钇)为石墨化催化剂,通过电化学沉积方法成功实现了稀土单质在炭纤维上的沉积,研究了稀土单质(镨、钇)对PAN基炭纤维的催化石墨化。采用X射线衍射对PAN基炭纤维的石墨化进行了表征。研究结果表明,稀土单质(镨,钇)均能实现PAN基炭纤维的催化石墨化;石墨化度随石墨化温度升高而增大,催化剂镨和钇的最佳含量分别为8wt%和20wt%。 4)以硅钼酸为催化剂,以PAN基炭纤维为石墨化对象,通过在磷酸和硅钼酸水溶液中进行交替电解处理,将硅钼酸沉积到PAN基炭纤维上,研究了硅钼酸对PAN基炭纤维的催化石墨化。利用X射线能量散射谱(EDS)分析了交替电解处理后炭纤维的元素组成;采用X射线衍射和拉曼光谱对炭纤维的石墨化进行了表征。研究结果表明,经交替电解处理后炭纤维的组织结构被破坏,催化剂分散在炭纤维的表面并渗入到内部;硅钼酸对PAN基炭纤维有明显的催化石墨化效果;在高温2400?C热处理后,炭纤维的石墨化程度达到95.3%,明显比原丝炭纤维石墨化度高。 5)以石墨氧化物为添加剂,呋喃树脂为炭/炭复合材料基体炭的炭源,炭纤维为炭/炭复合材料的增强材料,研究了石墨氧化物对炭/炭复合材料石墨化、导电性能和抗压强度的影响。通过X射线衍射、四探针测试仪及电子万能试验机等表征了C/C复合材料的石墨化度、电阻率以及抗压强度。研究结果表明,石墨氧化物产物能提高C/C复合材料的导电性能和抗压强度;石墨氧化物能提高C/C复合材料的石墨化度。 6)采用X射线衍射等技术研究了过渡金属钼(锰)元素对炭微球(PAN基炭纤维)的催化石墨化。(a)以磷钼酸为催化剂,呋喃树脂为炭源,考察了磷钼酸对炭微球的形成和石墨化。结果表明:通过磷钼酸的氧化作用,可获得分散性好,球形度高的炭微球,残存于炭微球中的钼元素对炭微球具有明显的催化石墨化性能。(b)通过炭纤维与高锰酸钾间的氧化还原反应,成功实现了锰氧化物在PAN基炭纤维上的均匀沉积;高温热处理结果表明锰氧化物对PAN基炭纤维具有明显的催化石墨化性能。


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