【摘要】：中間相瀝青基泡沫炭作為一種輕質功能材料,在特種材料領域,尤其是熱交換及電子工業(yè)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。國內外研究者雖然已經(jīng)對泡沫炭的制備工藝及性能做了大量的研究,但有關中間相瀝青基泡沫炭發(fā)泡過程中組織結構變化和動力學分析方面鮮有文獻報道。本論文以AR中間相瀝青為原料,通過熱重(TG)、質譜(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構的形成過程,并通過TG分析模擬了中間相瀝青發(fā)泡過程中的熱失重規(guī)律,建立了中間相瀝青恒溫發(fā)泡過程的數(shù)學模型,在此基礎上采用自發(fā)泡法制備泡沫炭,系統(tǒng)研究了發(fā)泡過程中升溫速率及發(fā)泡溫度對制備的炭化泡沫與石墨泡沫的孔泡結構及物理性能的影響。研究結果表明:(1)中間相瀝青在發(fā)泡過程中主要發(fā)生脂肪碳鏈的熱解反應,并釋放出H2、CH4、H20和CO等氣體,導致熔融瀝青中的分子組成產生變化,進而引起其粘度變化;(2)對不同升溫速率和發(fā)泡溫度下中間相瀝青的TG曲線進行擬合,發(fā)現(xiàn)恒溫階段的失重率△w與發(fā)泡時間tb成較好的線性關系,結合Arrhenius方程,得到了1℃/min、5℃/min、10℃/min升溫速率下恒溫發(fā)泡階段熱解反應的活化能分別為82.66 kJ/mol、51.52 kJ/mol、39.93 kJ/mol,反應速率常數(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)生熱解反應導致其內部分子組成發(fā)生變化,開始出現(xiàn)鑲嵌型結構,同時熱解反應產生的氣體在熔融瀝青表面張力的作用下聚集到鑲嵌型結構處,并導致鑲嵌型結構逐漸轉變成孔泡結構。到350℃時,鑲嵌型結構已完全轉變成孔泡結構;(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時制備的炭化泡沫的抗壓強度相對較高;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,進而提高石墨泡沫的抗壓強度;(5)在升溫速率為1-10℃/min、發(fā)泡溫度為420-480℃范圍內,體積密度是影響石墨泡沫熱導率的主要因素。
【圖文】：

這些特性決定了泡沫炭不論是在日常生活生產，還是在航天航空、軍工逡逑及科學科研領域都有著極為巨大的發(fā)展?jié)摿Γ郏保撸常�。逡逑泡沫炭的三維結構如圖１．１所示，泡沫炭主要由內部相互連通的孔泡結構和孔逡逑壁相互交錯形成的幵帶結構組成，這些結構決定了泡沫炭的體積密度，其主要的逡逑物理性能（如抗壓強度、導熱率等）與體積密度有相當大的聯(lián)系ｒ而體積密度由逡逑泡沫炭的內部結構決定，即孔泡的尺寸與數(shù)量、孔泡壁的厚度以及固態(tài)基體結構逡逑的有序度。這就是為什么可以通過控制泡沫炭的孔泡生長過程來調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體的選擇，工藝參數(shù)（溫度和壓力）逡逑的設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對發(fā)泡原料進逡逑行摻雜以達到改性的目的，常用的摻雜劑有其它碳材料以及無機物，另一種改性逡逑的方法是通過引入雜原子來實現(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的功能結構材料，在化工、能源、電化

（ＣＳＩＲＯ）的研宄者Ｂｒｏｏｋｓ和Ｔａｙｌｅｒ發(fā)現(xiàn)［４】。１９６１年Ｔａｙｌｅｒ在研宄煤瀝青時偶然逡逑發(fā)現(xiàn)，在熱處理過程中煤瀝青中的重質相會發(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程中會形成中間相的小球體，并逐漸長大、融并，最后完全轉變?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理和微觀逡逑結構，并初步解釋了瀝青熱處理過程中由各向同性向各向異性發(fā)生轉化的過程。逡逑這一發(fā)現(xiàn)掀起了科學家們研究中間相瀝青的研究熱潮，大大推動了炭素行業(yè)的發(fā)逡逑展，為制備局性能的新型炭材料奠定了基礎。逡逑中間相瀝青是由重質芳烴類物質在熱處理過程中生成的一種由圓盤狀或者棒逡逑狀分子構成的向列型的液晶物質，制備它的原料可以是瀝青、重質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構的芳香分子，包括脂肪族、芳逡逑香族以及由它們共同構成的復雜分子，這些分子在熱處理過程中分別發(fā)生著不同逡逑的化學反應
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.4

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 葉崇;陳石林;李維維;費又慶;;中間相瀝青纖維氧化增重過程[J];硅酸鹽學報;2012年08期

2 張志金;于曉東;王揚衛(wèi);王富恥;李凱;欒志強;;發(fā)泡條件對炭泡沫孔泡結構的影響[J];北京理工大學學報;2012年06期

3 張翠翠;王艷莉;詹亮;楊俊和;楊光智;凌立成;;泡沫炭在自發(fā)泡過程中的成核行為研究[J];炭素技術;2011年02期

4 閆志巧;陳峰;張紅波;熊翔;;發(fā)泡溫度對炭泡沫結構及性能的影響[J];功能材料;2010年09期

5 肖鋒;張紅波;熊翔;李萬千;夏倫剛;;發(fā)泡壓力對中間相瀝青基泡沫炭結構及性能的影響[J];中國有色金屬學報;2010年07期

6 周穎;肖正浩;肖南;邱介山;;模板預處理對泡沫炭結構的影響[J];化工學報;2008年12期

7 王小軍;楊俊和;詹亮;喬文明;張睿;梁曉懌;凌立成;;中間相瀝青基泡沫炭的制備、結構及性能[J];材料科學與工程學報;2008年03期

8 王鵬;呂永根;秦顯營;辛誠;楊常玲;潘鼎;;超臨界條件對瀝青泡沫炭結構的影響[J];炭素;2008年02期

9 陳峰;張紅波;熊翔;閆志巧;;炭泡沫的制備、性能及應用[J];材料導報;2008年03期

10 許德平;閔振華;曹敏;張書;王永剛;;AR瀝青的流變性對炭素泡沫材料結構的影響[J];中國礦業(yè)大學學報;2008年01期

相關博士學位論文 前2條

1 鮑英;中間相瀝青基泡沫炭的可控制備及若干應用探索[D];華東理工大學;2012年

2 李萬千;纖維改性中間相瀝青基泡沫炭的制備及其結構和性能研究[D];中南大學;2011年

相關碩士學位論文 前5條

1 馬志成;重油的精制及其中間相的穩(wěn)定性研究[D];湖南大學;2012年

2 陳秀男;泡沫碳及其導熱復合材料的制備和性能研究[D];東華大學;2012年

3 辛誠;超臨界流體制備中間相瀝青基泡沫炭及導熱性研究[D];東華大學;2009年

4 陳峰;中間相瀝青基炭泡沫的制備及其性能研究[D];中南大學;2008年

5 李平;中間相瀝青基泡沫炭的制備及性能研究[D];大連理工大學;2005年

本文編號：2671309