近年來,隨著船舶運輸、新型航天飛行器、工業(yè)大型燃機及軍事工業(yè)的高速發(fā)展,隨之而來的是對高性能隔熱材料研究發(fā)展的迫切需求。對于高性能隔熱材料來說,優(yōu)異的隔熱防熱性能是必不可少的,與此同時還需具備良好的力學(xué)性能以及更輕質(zhì)的屬性來減少設(shè)備運行的能量損耗。本實驗研究了碳纖維增強酚醛樹脂基復(fù)合材料,以密度小、熱導(dǎo)率低、力學(xué)性能較強的碳增強碳纖維骨架材料作為增強體,酚醛樹脂作為基體,制備出高性能的隔熱材料。由于制備工藝中對骨架進行了壓濾成型工藝,故分別在平行于成型方向和垂直于成型方向上,材料的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等均不相同,表現(xiàn)出各向異性,通過掃描電鏡可以看到兩個不同方向上的微觀形貌的區(qū)別。材料內(nèi)碳纖維分別在兩個方向上呈隨機分布和平行排布,纖維孔隙間充填著存在孔隙的酚醛樹脂。通過多種方式測量材料的密度,分別得出表觀密度以及真密度的值,通過兩個值可以看出,材料的內(nèi)部孔隙較為豐富。由氮氣吸附儀測得的數(shù)據(jù),可以得到等溫脫吸附曲線。根據(jù)回滯環(huán)的形狀,由圖可看出屬于H3型遲滯回線,孔隙不均勻,孔為片狀粒子堆積形成的狹縫孔,且多為介孔。通過電子萬能試驗機對材料兩個方向分別進行壓縮,可以分析出在平行于成型方向上比垂直于成型方向上更抗壓。對材料進行差示掃描-熱重分析(DSC-TG)以及熱導(dǎo)率分析,并將材料分別置于溫度為200℃、300℃、400℃、600℃、800℃、1000℃下進行高溫?zé)崽幚?并對材料各溫度處理后的樣品進行微觀形貌(SEM)、紅外吸收光譜圖(FI-IR)、X射線衍射(XRD)等進行測試分析。從樣品宏觀可以看出,復(fù)合材料隨著加熱溫度的上升,樣品顏色由黃綠色變?yōu)楹稚罱K變?yōu)楹谏?試樣保持完整的形貌,樣品表面無裂紋等缺陷。從微觀形貌來看,經(jīng)過高溫后,復(fù)合材料材料內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變,材料沒有增加明顯開裂、孔洞等缺陷,浸漬在碳纖維骨架內(nèi)部的酚醛樹脂經(jīng)過高溫發(fā)生熱解,但是從結(jié)構(gòu)上來看,仍然保持了均勻的孔隙結(jié)構(gòu)。材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.2748 W/(m·K),材料經(jīng)過30~1200℃共失重36.5%,且800℃之后,失重速率開始變得很小。經(jīng)過紅外光譜分析可知,隨著加熱溫度的升高,材料內(nèi)羥基、碳碳雙鍵、醚鍵等相繼被炭化,并釋放出小分子氣體,直至完全炭化,材料成分幾乎不會變化為止。根據(jù)材料的各項性能數(shù)據(jù)可以說明材料是剛性的輕質(zhì)隔熱材料。利用ANSYS軟件對材料進行熱分析模擬,先對材料進行建模、網(wǎng)格劃分、輸入?yún)?shù)等前處理建立了隔熱材料仿真模型,再對仿真模型進行計算、后處理等操作,完成了對其隔熱性能的穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析。通過穩(wěn)態(tài)熱分析得到了隔熱材料內(nèi)部的穩(wěn)定的溫度分布云圖,而瞬態(tài)熱分析得到了在沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)之前不同時間的溫度分布云圖。通過穩(wěn)態(tài)熱分析中對流面以及材料內(nèi)部溫度分布可以看出,以某一溫度穩(wěn)態(tài)熱分析時,最終的上表面穩(wěn)定溫度一般約為熱載荷溫度的一半。由于試樣模型較輕薄,可以看出在高溫下,材料仍然具有較好的隔熱性能。由試樣各部位溫度隨時間變化曲線可以看出,在瞬態(tài)熱分析的過程中,隨加熱溫度升高,達到穩(wěn)態(tài)的時間增長的幅度遠小于升溫速率,材料受熱達到穩(wěn)態(tài)時間較短,便不再繼續(xù)升溫,材料具有較好的隔熱性能。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB332
【部分圖文】：

著船舶、新型航天飛行器、工業(yè)大型燃機及軍事工業(yè)的高速發(fā)展，一般性已經(jīng)逐漸不能夠滿足實際的需求，各個領(lǐng)域?qū)Ω魺岵牧咸岢隽烁訃栏裥┬滦透咚俸教祜w行器和船舶的隔倉板和大型輪機上，其表面的工作溫高溫部位溫度可達 2000℃以上，這種嚴酷的熱環(huán)境和機器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必的系統(tǒng)各方面性能的提高。這就需要防護材料必須采用超低的熱導(dǎo)率，超能，有一定的強度和硬度的超級隔熱材料，只有這樣，才能高效減少機器部位向機身或船體內(nèi)部傳遞熱量，并且可以承受高溫、強烈的熱沖擊、高苛的工作環(huán)境。維增強法是提高材料力學(xué)性能的有效方法之一[1]，增強纖維的類型也是多增強復(fù)合材料因為擁有著較強的高溫穩(wěn)定性而備受人們關(guān)注。上世紀 60樹嶺國家實驗室開始著手研究碳粘結(jié)碳纖維復(fù)合材料，這種材料是一種低碳/碳復(fù)合材料，具有高孔隙率、低密度、優(yōu)異的耐高溫特性以及良好的結(jié)被廣泛用作隔熱材料、吸附材料等，比如用于真空氣氛爐作為設(shè)備的絕

有較大發(fā)展?jié)摿Φ母魺岜夭牧鲜羌{米多孔超級絕熱材料。1.2.2 隔熱材料的分類實際生產(chǎn)生活中，有著各種各樣的隔熱材料，為了方便使用和研究，通常將隔熱材料按照以下幾個方面劃分，主要有材料的化學(xué)成分、材料的結(jié)構(gòu)特點、材料的形態(tài)以及材料的使用溫度這四個方面。（1）按化學(xué)成分即材質(zhì)來分類隔熱材料有金屬隔熱材料、無機和有機隔熱材料這三類。有機隔熱材料：有機隔熱材料的制備原料有很多種，通常以樹脂或者聚合物為原料，例如在有機聚合物中加入穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑，加熱后發(fā)泡即可制得。有機隔熱材料的特點有容重小、孔隙率高、熱導(dǎo)率低、易成型和加工等，故經(jīng)常用于建筑物的保溫系統(tǒng)、油罐和工業(yè)管道的隔熱層等，然而由于有機高分子的固有性質(zhì)，有機隔熱材料也有其缺點，如雖然它的熱導(dǎo)率小，但耐高溫性能差，高溫下容易分解和燃燒，不能用于高溫領(lǐng)域。此外有機隔熱材料還有易老化、強度低、易吸濕、長期使用有毒等缺點。

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文這類材料常用于船舶艙室的隔熱或者其他常溫容器系統(tǒng)等。高溫隔熱材料：它的使用溫度大約在 1000℃以上，常見材料如剛玉磚等，通常用于航空航天，船舶運輸，大型工業(yè)燃機等隔熱材料的應(yīng)用中。1.3 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料1.3.1 短切碳纖維骨架增強的概述能夠在復(fù)合材料中增強基體力學(xué)性能的材料稱為增強材料[19]，作為增強材料的纖維在復(fù)合材料中的主要作用就是給予復(fù)合材料較高的強度和高的模量來承受外來載荷。性能優(yōu)良的增強材料應(yīng)擁有下面的優(yōu)點：具備高的強度、高的模量、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫等。因此，近年來研制出很多新的增強纖維，生產(chǎn)生活中常用的有以下幾種，如碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維等[18,20]，各種纖維都有其各自的特點，根據(jù)它們性能的不同決定了在不同場合的應(yīng)用。

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本文編號：2811007