氧化铝/泡沫炭纳米复合材料的制备、结构及性能

【摘要】：泡沫炭作为一种具有轻质、耐腐蚀、耐高温、热膨胀系数低等性能的三维网状多孔炭材料,广泛应用于航空、航天、化工、电子、能源、环保、催化等诸多领域。针对目前泡沫炭存在力学性能差、制备成本高、工序复杂、难以复杂成型等问题,本论文在烯丙基缩合多环芳香烃(COPNA)树脂共聚改性双马来酰亚胺(BMI)树脂的基础上,采用溶液法分散纳米氧化铝制备氧化铝/烯丙基COPNA-BMI共聚树脂复合物,然后通过浇注成型、常压炭化等工艺制备氧化铝/泡沫炭纳米复合材料,并对其结构与性能进行了研究。采用SEM、FT-IR、XRD、TGA等方法研究纳米氧化铝/烯丙基COPNA-BMI共聚树脂复合物的结构及热解过程。结果表明:纳米氧化铝/烯丙基COPNA-BMI共聚树脂复合物具有高温热解自发泡的特性,其热分解起始温度为370 ℃,在415℃左右分解速率最大,热解终止温度为600 ℃;纳米氧化铝添加量增加将会提高共聚树脂的热分解起始温度。采用SEM、XRD、电子万能试验机、激光热导仪、四探针仪等对不同纳米氧化铝添加量的氧化铝/泡沫炭纳米复合材料的结构和性能进行研究。结果表明:随着纳米氧化铝添加量由0%增大到8%,复合材料的体积密度、压缩强度、模量、热导率呈现出先升高再降低的趋势,而孔隙率、开孔率、电导率则相反。当纳米氧化铝添加量为6%时,复合材料的体积密度、压缩强度、模量和热导率均达到峰值,分别为 0.35 g/cm3、4.33 MPa、110 MPa 和 0.382 W/m·K;孔隙率、开孔率、电导率均达到最低值,分别为82.35%、62.04%、2.4 S/cm;残炭率则一直上升,由41.55%增加到49.42%。研究了高温处理工艺对氧化铝/泡沫炭纳米复合材料结构与性能的影响。结果表明:随着热处理温度升高,复合材料的微晶结构堆叠更加有序,石墨化程度提高,1800 ℃处理后出现了石墨微晶。当热处理温度由1100 ℃升高到1800 ℃时,复合材料压缩强度呈现先升高后降低的趋势,1500 ℃处理后含6%纳米氧化铝的复合材料压缩强度达到峰值10.99MPa;复合材料的电导率、热导率呈现上升趋势,当纳米氧化铝添加量为6%时,材料的电导率由3.56 S/cm提高到66.67 S/cm,热导率由0.448 W/m·K上升到0.911 W/m·K,石墨化程度达到51.16%。