【摘要】：多孔碳材料是由碳基體材料組成的一種三維多孔材料,具有密度小、比表面積大和生物兼容性好等諸多優(yōu)點,因而在電子器件、儲能、環(huán)境保護(hù)和熱管理等方面有著良好的應(yīng)用潛力。但是多孔碳材料在研究和應(yīng)用過程中存在著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差、功能較單一和微觀結(jié)構(gòu)不可控等問題。針對上述問題,本文主要研究不同前驅(qū)體制備輕質(zhì)多功能多孔碳材料的方法,以及微觀結(jié)構(gòu)變化對材料宏觀力學(xué)性能和多功能特性的影響,并對具有三維結(jié)構(gòu)的多孔碳材料的結(jié)構(gòu)特性和多功能特性開展了系統(tǒng)的研究,為其在相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容如下:以淀粉為碳源,通過環(huán)境友好的“發(fā)酵法”將淀粉作為基元材料構(gòu)筑成為具有多孔結(jié)構(gòu)的三維宏觀前驅(qū)體,高溫?zé)崽幚碇苽涞玫轿⒖捉Y(jié)構(gòu)可調(diào)的輕質(zhì)多功能泡沫碳。該泡沫碳組分中的石墨相碳和無定形碳通過化學(xué)鍵相互連通,構(gòu)筑成了多孔宏觀結(jié)構(gòu)的基體。在“發(fā)酵”過程中調(diào)節(jié)酵母、水以及淀粉的比例能夠有效控制泡沫碳的微觀孔結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對材料宏觀性能的影響。豐富的多孔結(jié)構(gòu)賦予泡沫碳極大的比表面積,其比表面積最大能達(dá)到988 m2/g。在較低的密度下泡沫碳還具有良好的抗壓強(qiáng)度,當(dāng)密度為0.27 g/cm3時,泡沫碳的壓縮強(qiáng)度為3.68 MPa,比壓縮強(qiáng)度高達(dá)13.49 MPa?cm3?g-1。泡沫碳結(jié)構(gòu)中從毫米到納米尺度豐富的孔結(jié)構(gòu)能夠?qū)崃鬟M(jìn)行有效的阻隔,密度為0.08 g/cm3的泡沫碳的熱導(dǎo)率僅為0.06 W?m-1?K-1。泡沫碳還具有優(yōu)異的電磁屏蔽效能,在X波段內(nèi)電磁屏蔽效能最高可達(dá)17.2 d B。為獲得更輕質(zhì)的多功能多孔碳材料,我們設(shè)計并制備了一種三維輕質(zhì)氮摻雜石墨烯/碳/銀納米線復(fù)合剛性碳海綿。以木質(zhì)素和纖維素組成的三維骨架(木頭)為模板,將其與尿素混合后,通過高溫碳化反應(yīng)制備得到表面生長有氮摻雜石墨烯的三維復(fù)合碳海綿。該復(fù)合碳海綿具有各向異性的微觀孔隙結(jié)構(gòu),從而在力學(xué)和熱傳導(dǎo)等宏觀性能方面也表現(xiàn)出了各向異性特征。當(dāng)復(fù)合碳海綿密度為0.148 g/cm3時,徑向壓縮強(qiáng)度為0.86 MPa,而軸向壓縮強(qiáng)度高達(dá)3.3 MPa。在密度為0.127 g/cm3時,當(dāng)徑向熱導(dǎo)率為0.088 W?m-1?K-1時,軸向熱導(dǎo)率為0.135 W?m-1?K-1�；诮Y(jié)構(gòu)和性能的測試數(shù)據(jù),本文還建立了基于各向異性微觀結(jié)構(gòu)的參數(shù)化力學(xué)和熱傳導(dǎo)模型,推導(dǎo)并建立了徑向和軸向有效熱導(dǎo)率的理論計算公式,闡明了微觀結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對復(fù)合海綿熱學(xué)性能和力學(xué)性能的影響。通過有效的制備,復(fù)合碳海綿在X波段內(nèi)電磁屏蔽效能均值最高可達(dá)60 d B,比電磁屏蔽效能達(dá)到465.1 d B?cm3?g-1。對這種新型復(fù)合碳海綿的電磁屏蔽機(jī)理的研究,揭示了其以電磁吸收損耗為主的電磁屏蔽機(jī)理。蜂窩結(jié)構(gòu)是一種輕質(zhì)且承載性能較好的結(jié)構(gòu),從蜂窩結(jié)構(gòu)中獲得啟發(fā),本文制備出一種密度極低且具有多功能特性的石墨烯復(fù)合海綿。以芳綸紙蜂窩為模板,氧化石墨烯溶液作為原料,通過直接碳化法和冷凍干燥法,可控的制備出碳蜂窩/石墨烯復(fù)合海綿。該三維多孔碳材料在水平方向具有周期性的碳蜂窩孔結(jié)構(gòu),在軸向具有垂直于蜂窩壁的多層層狀石墨烯海綿微觀結(jié)構(gòu)。碳蜂窩胞元內(nèi)部的復(fù)合碳海綿呈現(xiàn)出有序的層狀結(jié)構(gòu),完全有別于普通石墨烯海綿的微觀結(jié)構(gòu)。碳蜂窩/石墨烯復(fù)合海綿具有良好的抗壓強(qiáng)度和較低的熱導(dǎo)率。當(dāng)復(fù)合碳海綿密度僅為0.061 g/cm3時,壓縮強(qiáng)度達(dá)到2.1 MPa,比壓縮強(qiáng)度為34.4MPa?g-1?cm3,壓縮強(qiáng)度高于普通石墨烯海綿兩個數(shù)量級。當(dāng)密度為0.041 g/cm3時,復(fù)合海綿的熱導(dǎo)率僅為0.045 W?m-1?K-1�；谝陨涎芯拷Y(jié)果,本文建立了基于層狀石墨烯海綿微觀結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)等效模型,并對復(fù)合碳海綿有效熱導(dǎo)率的理論公式進(jìn)行了推導(dǎo)。復(fù)合碳海綿也具有優(yōu)異的電磁屏蔽效能,在X波段的電磁屏蔽效能均值達(dá)到40 d B,比電磁屏蔽效能更是高達(dá)655.7 d B?cm3?g-1,高于目前絕大多數(shù)文獻(xiàn)報道材料的比電磁屏蔽效能數(shù)值。
【圖文】：

第 1 章 緒 論碳化或石墨化得到三維泡沫碳[8, 9, 31-35]。這種方法可以通過加入的發(fā)泡劑和碳化壓力調(diào)節(jié)孔的數(shù)量、大小和形狀，從而改變材料宏觀的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)等性能[36-40]。2000 年，美國橡樹嶺國家實驗室的 Klett 研究團(tuán)隊以瀝青為原料，將瀝青與發(fā)泡劑混合并加熱進(jìn)行軟化，并在氮氣條件下在 1050 ℃和 2800 ℃兩種高溫下分別碳化和石墨化，得到密度小于 0.65 g/cm3、壓縮強(qiáng)度達(dá) 3.0 MPa、熱導(dǎo)率高達(dá) 180 W m-1 K-1的三維泡沫碳[41]。2010 年中科院山西煤化所郭全貴等以酚醛樹脂為前驅(qū)體，采用草酸為催化劑，，六胺為發(fā)泡劑，通過逐步升溫加壓的方法最終在惰性氣體保護(hù)下 800 ℃和 4 MPa 的條件下高溫碳化得到一種孔徑可調(diào)且壓縮強(qiáng)度高達(dá) 98.3 MPa 的泡沫碳[42]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文和 NaHSO3等[69-74]。通常的制備方法是將這些化學(xué)試劑以一定比例與氧化石墨烯溶液混合，在加熱條件下利用水熱法氧化石墨烯被還原并得到石墨烯水凝膠，最后通過冷凍干燥法獲得石墨烯海綿[72, 75-78]。2013 年，趙宗彬課題組以乙二胺為還原劑，氧化石墨烯為基元材料，通過化學(xué)自組裝法制備得到超輕且超彈性的石墨烯海綿[69]。如圖 1-7 所示，首先將乙二胺（EDA）引入到氧化石墨烯溶液中，在 95 ℃下加熱反應(yīng) 6 小時將得到功能化的石墨烯水凝膠。隨后通過冷凍干燥的方法將水凝膠干燥得到氣凝膠，再利用微波輻射將氣凝膠的含氧官能團(tuán)去除得到石墨烯海綿。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.4

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本文編號：2650285