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炭材料催化石墨化研究

刘露  
【摘要】: 炭材料具有比重小、耐热、耐腐蚀、耐热冲击、导电、传热性好、高比强度、高比模量、抗辐射、良好的阻尼、减震、降噪等一系列其它材料所没有的综合特性,被认为是面向21世纪的极有发展前途的新材料。炭材料的石墨化度是各项性能最重要的指标之一,通过石墨化,碳进一步富集,碳原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化。然而,炭材料的石墨化通常要在很高的温度下进行,为了提高石墨化度和降低石墨化温度,通常在炭材料中添加某些无机或者有机催化剂来实现炭材料的高效石墨化,即所谓的催化石墨化。本论文主要研究了一些新型催化剂及催化剂负载方法对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维和炭/炭复合材料的催化石墨化以及经高温热处理后炭材料性能的变化,主要内容如下: (1)采用在硼酸和氯化镍溶液中交替电解的方法促进PAN基炭纤维的催化石墨化:一方面,采用弱酸硼酸作为电解质,使得实验条件变得温和;另一方面,通过交替电解成功地破坏了炭纤维的组织结构,并同步实现了催化剂(硼酸和镍)在炭纤维上的担载和分散,有效地促进了PAN基炭纤维的催化石墨化。纤维的形貌和结构变化分别采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)进行分析表征。结果表明:经在上述电解液交替电解处理过的炭纤维经2400℃热处理1小时后,其石墨化度提高至85%,Lc为150 A。 (2)石墨化度及残留催化剂对C/C复合材料性能的影响:以添加了4wt.%钇催化剂的呋喃树脂和硝酸氧化处理过的PAN基炭纤维为原料,采用热压成型的方法制备炭纤维增强树脂基复合材料,研究了不同热处理温度下C/C复合材料的性能变化趋势以及残留催化剂对C/C复合材料性能的影响。复合材料的石墨化度通过XRD进行表征,并利用万能试验机和四探针测试仪对不同热处理温度下C/C复合材料的力学与电学性能进行了研究。结果表明:催化剂钇对C/C复合材料石墨化程度的提高起到明显的促进作用。随着热处理温度的提高,C/C复合材料的电阻率逐渐减小,导电性能与石墨化度提高成正比关系;抗压强度减小,残留的催化剂对C/C复合材料的力学性能有明显的损害作用。 (3)G/C复合材料制备及其性能研究:以呋喃树脂和石墨氧化物为原料,采用在1.5 cm口径试管中成型的方法制备了石墨烯纳米片增强呋喃树脂炭(G/C)复合材料,研究了以石墨烯作为G/C复合材料的增强体对其石墨化度以及力学性能和电学性能的影响,并探讨了石墨氧化物对G/C复合材料力学和电学性能影响的机理。G/C复合材料的结构变化通过XRD进行表征,并利用万能试验机和四探针测试仪对高温热处理后G/C复合材料的力学与电学性能进行了研究。结果表明:采用石墨烯作为G/C复合材料的增强体,不仅有效促进了G/C复合材料的石墨化,而且由于石墨烯具有的优异的电学和力学性能,使得G/C复合材料的导电性和机械性能都得到了很大程度的提高,从而有利于高温热处理后G/C复合材料的应用。


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