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木质材料/酚醛树脂烧结制造网络形态木陶瓷的研究

陶毓博  
【摘要】:本研究从木材加工剩余物高效利用的角度出发,选择砂光木粉作为制造木陶瓷的主要原料,通过浸渍酚醛树脂,热压成型后在真空环境下经高温碳化制造了具有网络形态的碳/碳复合材料——木陶瓷。研究中首次直接使用木材加工剩余物制造木陶瓷,在常温常压条件下浸渍木粉,制得了性能较好的木陶瓷。利用这种工艺,根据制品的形状设计模具,可以制造各种形状的产品,尤其是在浸渍工艺方面,不需要专用的浸渍设备。论文分析了升温速率、烧结温度、原料配比等因素对木陶瓷力学性能、耐磨性、电磁屏蔽性能的影响,研究了烧结温度、原料配比对木陶瓷化学组成、微观形态和结构的影响,着重讨论了在空气中木陶瓷处于高温环境下的耐热性。 研究发现烧结温度对木陶瓷的力学性能有明显影响。当木质材料与酚醛树脂的质量比为60:40时,随着烧结温度的升高,木陶瓷的抗弯强度逐渐增大,木陶瓷的表观密度增大。在650℃以上烧结制得的木陶瓷具有较好的耐磨性。随着烧结温度的升高,木陶瓷的耐磨性有所提高,随着摩擦转数的增加,各种温度下烧结制得的木陶瓷的磨耗量都呈递增趋势,随着木陶瓷中酚醛树脂用量的增加,木陶瓷的耐磨性显著提高。 在碳化温度为650~1000℃条件下制备的木陶瓷在频率为1.4GHz时都具有较好的电磁波吸收性(约40dB);随着碳化温度的升高,电磁波屏蔽效能略有提高。木质材料和酚醛树脂的质量比为50:50时,在9KHz~1500MHz范围内,木陶瓷具有中等屏蔽效果(40~50)dB,可以用作高温环境下电气设备的电磁屏蔽材料。 研究通过FTIR分析,与未碳化木粉对比,发现木陶瓷碳化过程中,化学结构发生了很大变化,芳香族结构更加明显。利用TG—DSC联机分析研究了木陶瓷作为一种碳材料的抗氧化性能,在350℃以下,木陶瓷热失重在10%以下,主要源于木陶瓷中水等小分子物质的排除。在氮气环境下,加热到700℃,木陶瓷的质量损失为9.13%,说明在惰性气氛下,木陶瓷具有较好的耐热性。但在空气中达到一定的温度,木陶瓷会发生氧化反应,释放出CO和CO_2气体。木陶瓷制造过程的烧结温度是影响木陶瓷抗氧化性的重要因素。随着烧结温度的升高,木陶瓷热降解的起始温度增大,800℃烧结的木陶瓷在400~430℃之间的失重速率加大;1000℃烧结的木陶瓷在565~600℃之间的失重速率加大;1400℃烧结的木陶瓷在640~670℃之间失重速率加大。三种温度下烧结制造的木陶瓷在空气中到达700℃时热失重都没有结束,经过快速热分解的温度阶段后,三种木陶瓷热分解速率趋于一致。随着烧结温度的升高,木陶瓷快速热分解的起始温度向高温方向移动。因此,800℃烧结的木陶瓷(木质材料:酚醛树脂=40:60)如果长期在300℃以下的环境中使用,不会对产品的性能产生较大影响。同时,木陶瓷也可以用于瞬间高温的环境中,提高木陶瓷制造过程中的烧结温度,还能够进一步提高木陶瓷耐瞬间高温的性能。在800℃下烧结制得的木陶瓷,随着酚醛树脂用量的增加,在空气中加热到700℃,木陶瓷的热失重略为增大。随着酚醛树脂用量增加,木陶瓷的抗氧化性下降,木陶瓷热分解的放热量增加,反应进行得较快。


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