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碳材料用基体沥青的改性研究

林起浪  
【摘要】: 碳材料是一种性能优良的无机非金属材料,其中碳纤维增强碳(以下简 称C/C)是一种高级复合材料,具有很好的物理、化学和力学性能,但是,C/C 复合材料价格昂贵、工艺复杂等问题严重影响了其应用和发展,目前主要局限 于航空航天等高技术领域使用。因此,研究低成本、高性能的C/C复合材料已 受到世界各国的普遍关注。而研制价格低廉、性能优异、工艺性良好的基体材 料则是C/C复合材料的关键。 本文研究了碳材料用基体前驱体——沥青的改性。以来源丰富、价格低廉 的工业用中温煤沥青为原料,以二乙烯基苯(DVB)为交联剂,在酸性催化剂 作用下合成了R_(pc)(性能价格比)值较高的碳材料用基体前驱体——缩合多环 芳烃树脂(COPNA)。 采用FT-IR光谱和~1H-NMR分析沥青改性的机理。采用SEM对改性沥青的 显微结构进行分析。在常温下发现中间相小球,此外,该沥青在550℃炭化后, 其气孔率明显地减少。采用差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、差热分 析(DTA)等热分析手段分析了改性沥青的热行为。全面分析了改性对沥青的 残碳率、软化点、密度和溶解性的影响。采用正交设计方法对合成工艺进行优 化,并提出数学模型,对各种影响因素进行了多元线性回归分析。 研究表明,煤沥青在催化剂作用下能与DVB反应合成COPNA树脂。该反应 为酸催化下的阳离子型缩聚反应,其中包含有生成树脂和交联剂自身聚合两个 反应,后者在很大程度上影响缩合多环芳烃树脂的生成。此外,经过改性的煤 沥青不仅含有大量的中间相小球体,而且具有较低的软化点、优良的热稳定性 和较高的残碳率。因此,改性后的煤沥青极有希望作为性能优良的碳材料用基 体前驱体。


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