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竹炭及SiC陶瓷材料的结构及性能研究

张东升  
【摘要】:竹炭竹基炭化硅(SiC)陶瓷是一种环境友好材料,在许多领域有巨大的应用潜力,可以用作电磁屏蔽材料、过滤材料、温度和湿度传感材料、催化剂载体、吸附材料、阻尼材料、隔热材料和自润滑材料等。 本研究以中国的毛竹( Phyllostachys pubescens )、麻竹(Dendrocalamus latiflorus)、绿竹(Dendrocalamopsis oldhami)和国外引进的印度莿竹(Bambusa arundinacea)为原料,在氮气气氛下,高温炭化处理,制备了不同品种的竹炭。采用热重分析仪(TGA)、带能谱分析的环境扫描电镜(SEM-EDAX)、X 射线衍射(XRD)等先进手段详细研究了各种竹材炭化前后的微观组织、元素组成、结晶构造变化,并且对竹材炭化过程中不同阶段的热解规律和炭化收缩现象进行了分析,比较了4 种竹材制备的竹炭在结构和性能上的差异,测试和分析了竹炭的导电性及其影响因素。 以4 种竹炭为模板材料,采用高温渗硅(Si)方法制备出竹基SiC,对其材料的相组成、结晶构造、样品断面的微观结构形貌和元素组成进行测试和表征,分析和比较了4 种竹炭制备的竹基SiC 形貌和化学组成上的区别,并分析其区别之处与其模板材料在构造和性能上的关系,并对竹炭制备竹基SiC 的渗透和反应机理进行了初步探讨。 对竹材、竹炭和竹基SiC 三种材料的抗压力学性能进行了测试,考察了微观结构对力学性能的影响,采用现代光测技术(DSCM)对竹炭及竹基SiC 陶瓷的抗压破坏过程进行了动态跟踪。该研究对生物质材料的高效利用和竹炭及高性能竹基SiC 陶瓷的研究和开发具有一定的理论意义和应用价值。 本课题的研究主要内容和结果表现以下几个方面: (1) 选择了4 种制备竹炭及竹基SiC 的竹种、并对其竹杆壁厚、含水率、密度、化学组成、组织比量等基本材性指标进行了测试和对比,结果发现4 种竹材中部的厚度在12.03-14.96mm 范围内,相差不大; 毛竹密度最大为0.75 g/cm3,莿竹最小为0.53 g/cm3; 莿竹纤维股面积比量要明显得大于其它3 种竹种,范围为36.37%-43.31%,同时其导管组织比量也最小,为2.59%-2.77%。毛竹的薄壁组织比量最大,范围为66.87%-73.74%。 (2) 竹炭制备的炭化工艺条件和参数为在氮气保护下开始升温,升温速率为5°/min,氮气流量80ml/min。当温度升到120°时,恒温0.5 小时,然后以3°/min 升温速率,升至设定炭化温度(500℃、750℃和1000℃)时停留1.5 小时后结束炭化,在氮气的保护下降至室温。 (3) 采用TGA 对竹材的炭化热解过程的相变进行了研究,比较了4 种竹材热解过程中在不同阶段的失重率,比较了1 年生同5 年生竹材失重率的差异,分析了热


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