【摘要】：中間相瀝青基泡沫炭作為一種輕質(zhì)功能材料,在特種材料領(lǐng)域,尤其是熱交換及電子工業(yè)中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。國(guó)內(nèi)外研究者雖然已經(jīng)對(duì)泡沫炭的制備工藝及性能做了大量的研究,但有關(guān)中間相瀝青基泡沫炭發(fā)泡過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)變化和動(dòng)力學(xué)分析方面鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。本論文以AR中間相瀝青為原料,通過(guò)熱重(TG)、質(zhì)譜(MS)、紅外(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)等研究方法研究了中間相瀝青發(fā)泡過(guò)程中發(fā)生的一系列變化。首先借助偏光顯微鏡觀察了熔融瀝青中孔泡結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程,并通過(guò)TG分析模擬了中間相瀝青發(fā)泡過(guò)程中的熱失重規(guī)律,建立了中間相瀝青恒溫發(fā)泡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上采用自發(fā)泡法制備泡沫炭,系統(tǒng)研究了發(fā)泡過(guò)程中升溫速率及發(fā)泡溫度對(duì)制備的炭化泡沫與石墨泡沫的孔泡結(jié)構(gòu)及物理性能的影響。研究結(jié)果表明:(1)中間相瀝青在發(fā)泡過(guò)程中主要發(fā)生脂肪碳鏈的熱解反應(yīng),并釋放出H2、CH4、H20和CO等氣體,導(dǎo)致熔融瀝青中的分子組成產(chǎn)生變化,進(jìn)而引起其粘度變化;(2)對(duì)不同升溫速率和發(fā)泡溫度下中間相瀝青的TG曲線進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)恒溫階段的失重率△w與發(fā)泡時(shí)間tb成較好的線性關(guān)系,結(jié)合Arrhenius方程,得到了1℃/min、5℃/min、10℃/min升溫速率下恒溫發(fā)泡階段熱解反應(yīng)的活化能分別為82.66 kJ/mol、51.52 kJ/mol、39.93 kJ/mol,反應(yīng)速率常數(shù)隨發(fā)泡溫度的升高而增大;(3)升溫至320℃后,熔融中間相瀝青中由于瀝青分子發(fā)生熱解反應(yīng)導(dǎo)致其內(nèi)部分子組成發(fā)生變化,開始出現(xiàn)鑲嵌型結(jié)構(gòu),同時(shí)熱解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體在熔融瀝青表面張力的作用下聚集到鑲嵌型結(jié)構(gòu)處,并導(dǎo)致鑲嵌型結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變成孔泡結(jié)構(gòu)。到350℃時(shí),鑲嵌型結(jié)構(gòu)已完全轉(zhuǎn)變成孔泡結(jié)構(gòu);(4)炭化泡沫及石墨泡沫的體積密度總體上隨著升溫速率的升高而降低;升溫速率為5℃/min時(shí)制備的炭化泡沫的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高;較高的發(fā)泡溫度有利于減少石墨泡沫中的微裂紋數(shù)量,進(jìn)而提高石墨泡沫的抗壓強(qiáng)度;(5)在升溫速率為1-10℃/min、發(fā)泡溫度為420-480℃范圍內(nèi),體積密度是影響石墨泡沫熱導(dǎo)率的主要因素。
【圖文】：

這些特性決定了泡沫炭不論是在日常生活生產(chǎn)，還是在航天航空、軍工逡逑及科學(xué)科研領(lǐng)域都有著極為巨大的發(fā)展?jié)摿Γ郏保撸常荨ｅ义吓菽康娜S結(jié)構(gòu)如圖１．１所示，泡沫炭主要由內(nèi)部相互連通的孔泡結(jié)構(gòu)和孔逡逑壁相互交錯(cuò)形成的幵帶結(jié)構(gòu)組成，這些結(jié)構(gòu)決定了泡沫炭的體積密度，其主要的逡逑物理性能（如抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱率等）與體積密度有相當(dāng)大的聯(lián)系ｒ而體積密度由逡逑泡沫炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，即孔泡的尺寸與數(shù)量、孔泡壁的厚度以及固態(tài)基體結(jié)構(gòu)逡逑的有序度。這就是為什么可以通過(guò)控制泡沫炭的孔泡生長(zhǎng)過(guò)程來(lái)調(diào)控泡沫炭的物逡逑理性能。其中，主要的影響因素有泡沫炭前驅(qū)體的選擇，工藝參數(shù)（溫度和壓力）逡逑的設(shè)定以及合適的工藝路線。此外，泡沫炭的物理性能還可以通過(guò)對(duì)發(fā)泡原料進(jìn)逡逑行摻雜以達(dá)到改性的目的，常用的摻雜劑有其它碳材料以及無(wú)機(jī)物，另一種改性逡逑的方法是通過(guò)引入雜原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要摻雜元素包括硼元素與氮元素。逡逑因此，泡沫炭作為一種輕質(zhì)的功能結(jié)構(gòu)材料，在化工、能源、電化

（ＣＳＩＲＯ）的研宄者Ｂｒｏｏｋｓ和Ｔａｙｌｅｒ發(fā)現(xiàn)［４】。１９６１年Ｔａｙｌｅｒ在研宄煤瀝青時(shí)偶然逡逑發(fā)現(xiàn)，在熱處理過(guò)程中煤瀝青中的重質(zhì)相會(huì)發(fā)生相分離并在表面張力作用下形成逡逑球形各向異性的小球體，如圖１．２所示。１９６４年，，Ｂｒｏｏｋｓ也發(fā)現(xiàn)了浙青在特定條逡逑件的熱處理過(guò)程中會(huì)形成中間相的小球體，并逐漸長(zhǎng)大、融并，最后完全轉(zhuǎn)變?yōu)殄义细飨虍愋缘闹虚g相瀝青。他們隨后還研究了這種中間相小球體的生成機(jī)理和微觀逡逑結(jié)構(gòu)，并初步解釋了瀝青熱處理過(guò)程中由各向同性向各向異性發(fā)生轉(zhuǎn)化的過(guò)程。逡逑這一發(fā)現(xiàn)掀起了科學(xué)家們研究中間相瀝青的研究熱潮，大大推動(dòng)了炭素行業(yè)的發(fā)逡逑展，為制備局性能的新型炭材料奠定了基礎(chǔ)。逡逑中間相瀝青是由重質(zhì)芳烴類物質(zhì)在熱處理過(guò)程中生成的一種由圓盤狀或者棒逡逑狀分子構(gòu)成的向列型的液晶物質(zhì)，制備它的原料可以是瀝青、重質(zhì)油和一些化合逡逑物和它們的縮聚體。每種原料瀝青中具有多種結(jié)構(gòu)的芳香分子，包括脂肪族、芳逡逑香族以及由它們共同構(gòu)成的復(fù)雜分子，這些分子在熱處理過(guò)程中分別發(fā)生著不同逡逑的化學(xué)反應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ127.11;TB383.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2671309