中间相碳微球的成型烧结工艺及其材料性能的研究.pdf

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1、上海交通大学博士学位论文中间相碳微球的成型烧结工艺及其材料性能的研究姓名：胡晓斌申请学位级别：博士专业：材料学指导教师：胡克鳌20041001 上海交通大学博士论文摘要摘要本文以中间相碳微球为碳前驱搀杂和液相强化烧结制备了高性能体材料采用水基流延工艺成型通过金属低孔隙率的碳材料层板并系统的研究了在烧结过程中金属搀杂物对碳材料相变及其性能的影响成型工艺和烧结后碳材料层板性能的影响同时研究了碳纤维对这种碳材料层板不仅可用于制备模压成型的质子交换膜燃料电池双极板燃料电池成本提高燃料电池性能具有重要意义由于MCMB具有很好的自烧结性也可用于制备锂电池

2、电极这对于降低它是一种优良的碳前驱体材料用于制备高密度和高强度碳材料小球相互融并形成烧结颈根据热分析大约在535°C通过瞬时液相烧结根据TG和DSC测试在600~800°CMCMB发生强烈的热分解并放出大量的气体导致体积的剧烈收缩在本文实验中采用的MCMB具有2.1的C/H摩尔比平均尺寸为12mm通过冷模压然后分别在800,1150和1400°C下进行真空烧结在1400°C烧结获得的碳材料具有较高的密度较好的弯曲强度和导电性流延工艺是一种制备陶瓷薄片的方法强度高的高性能的碳材料层板本论文利用水基流延工艺获得了密度均匀料为了制备稳定均增塑剂一的

3、MCMB流延浆分散剂和粘结剂对其流1400°C真空烧结首先研究了浆料的流变学行为以及溶剂变行为的影响然后经过在大约40MPa85°C下层压并在获得的碳材料的平均密度为1.66g/cm3弯曲强度为82.76MPa电导率为169.2S/cm在生坯烧结时有机添加剂分解会生成无定形碳它会导致碳材料的性能下降因此应控制有机添加剂在浆料中的加入量有很多金属和非金属的掺杂物对碳材料的石墨化具有催化作用在流延浆料中添加一定量的Ti,ZrO2和B4C在MCMB中进行掺杂结果发现它们都具有催化石墨化的效应并且碳材料的性能也得到Ti的催化效应最为明显本文通过经过1

4、400°C真空烧结改善在三种掺杂物中对于双组元掺杂并且对碳材料性能改善的效果也最好实验结果表明其催化作用和对碳材料性能改善的I 上海交通大学博士论文摘要效果不如单组元掺杂通过在MCMB流延浆料中添加一定量的碳纤维利用水基流延工艺成型获得了碳纤维均匀分布的碳纤维的含量和长度都会影响和在1400°C下真空烧结时的收缩率上存在巨大的差异/碳复合材料对浆料的流变行为研究发现增加碳流延浆料的剪切粘度获得了碳/碳复合材料经过在85°C40MPa下层压由于与MCMB在形貌和烧结碳纤维的加入将会限制碳材料在烧结时的收缩并且在碳材料中碳纤维和基体的界面结合也非

5、常差因此碳材料的性能也很差通过在碳/碳复合材料中掺杂金属掺杂物可以有效的改善碳纤维和基体的界面结合强度最后因而显著改善碳/碳复合材料的性能通过在MCMB浆料中掺杂预合金化的双组元金属粉来进行液相强液相强化烧结可固相溶解和析出固相骨架形成和化烧结获得的碳复合材料具有较好的性能和较低的孔隙率以分为三个阶段长大阶段即液相生成和颗粒重排液相强化烧结的必要条件是在烧结过程中必须要有足够多的并且生成的液相对固相是润湿的同时固相在液相中要有一定的溶解度液相量产生本文在MCMB中添加了三种双组元金属粉即Fe-NiTi-Fe和Ti-Ni在1400°C烧结体中的

6、固相是通过通过三元体系中碳与金属之间的共晶反应生成液真空烧结后获得了合金或金属陶瓷增强的碳复合材料MCMB的融并和碳化形成的相在高温和毛细管力的作用下液相填满固相中的孔隙和缺陷XRD和EDS图谱分析证明了在烧结碳材料中石墨层间距的减小完成烧结体过程中液相的致密化的存在通过对烧结体的也证明了双组元金属粉的掺杂对碳材料的石墨化具有催化作用关键词双极板中间相碳微球流延工艺液相强化烧结碳材料层板II DoctoralDissertationinShanghaiJiatongUniversityAbstrcatABSTRACTWiththemetald

7、opantsandtheprecursorofMCMBused,akindofcarbonlaminationwithhighperformanceandlowporosityismadebyaqueoustapecastingandliquidphaseactivatedsintering.Duringsintering,theinfluenceofmetaldopantsonthephasetransformationofcarbonandtheperformanceofcarbonlaminationisstudied,furtherm

8、ore,theinfluenceofcarbonfiberreinforcementonthefabricationandperformanceofcarbonla