中间相沥青基泡沫炭及其复合材料的制备、结构及性能

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1、国内图书分类号：TB321西北工业大学工学博士学位论文中间相沥青基泡沫炭及其复合材料的制备、结构及性能博士研究生：刘和光导师：李铁虎教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年04月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TB321ThesissubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyPreparation,StructureandPropertieso

2、fMesophase-pitchBasedCarbonFoamsandCompositesPh.DCandidate：LIUHeguangAdvisor：ProfessorLITiehuDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：April，2017UniversityConferringDegree：Northwe

3、sternPolytechnicalUniversity摘要摘要中间相沥青基泡沫炭是一种具有三维海绵状结构的新型炭材料。其独特的网状泡孔结构使其具有轻质高强、高孔隙率、导热率可调、耐高温、耐腐蚀、电磁屏蔽和高导电性等优异性能，在导电、吸附、热防护、热传导和电磁防护等领域具有广阔的应用前景。本文以廉价煤沥青为原料，利用热缩聚法合成中间相沥青，然后以中间相沥青为前驱体，经过发泡、炭化和石墨化等工艺制备出中间相沥青基泡沫炭及其复合材料。揭示了中间相沥青的性能与泡沫炭泡孔结构之间的关系，重点探讨了泡沫炭复合材料的制备，以及不

4、同添加剂对泡沫炭泡孔结构和性能的影响，并对泡沫炭复合材料在隔热、导电、导热和电磁屏蔽等领域的应用进行了初步探索。主要研究内容概括如下：以中温煤沥青为原料，利用热缩聚法在相同保温时间和压力，以及不同温度下制备出了一系列中间相沥青，然后分别通过发泡和炭化工艺处理得到中间相沥青基泡沫炭。研究发现，温度越高，中间相沥青中次生喹啉不溶物(QI)含量越高。当中间相沥青中次生QI含量过低时，中间相沥青在发泡过程中无法形成泡孔结构。而当中间相沥青可以发泡过程中形成泡孔结构时，随着次生QI含量的升高，所制备泡沫炭的泡孔尺寸呈现出先增大

5、后减小的变化趋势，其压缩强度呈现出先减小后增大的变化趋势。利用硼酸和苯丙烯醛(CMA)为改性剂，对高温煤沥青进行改性。以改性沥青为原料，利用热缩聚法制备中间相沥青，然后经过发泡和炭化工艺处理得到中间相沥青基泡沫炭。研究表明，改性处理后，煤沥青的性能和结构发生了明显变化，而且由不同改性煤沥青制备的中间相沥青的性能也有所不同，由改性沥青制备的中间相沥青的中间相含量更高。与此同时，改性沥青制备的泡沫炭的泡孔结构更加规则完整，尺寸分布也加更均匀，力学性能也更优。其中，以7gCMA和3g硼酸改性得到的沥青为原料制备得到泡沫炭的

6、压缩强度最大，达到21.27MPa。以正硅酸乙酯和中温煤沥青为原料，分别利用常压浸渍法和自发泡法制备出SiO2气凝胶/泡沫炭复合材料，对该复合材料的隔热性能和力学性能进行了初步研究。结果表明，常压浸渍法制备得到的复合材料中，SiO2气凝胶主要分布在泡沫炭表面泡孔中。与单一泡沫炭相比，复合材料表现出了更优异的隔热性能，其导热率为0.169W/m·K，比泡沫炭降低了41.9%。就力学性能而言，泡沫炭表面泡孔的存在SiO2气凝胶并没有对泡沫炭的压缩性能产生明显影响。对于自发泡I西北工业大学工学博士学位论文法制备的SiO2气

7、凝胶/泡沫炭复合材料，SiO2气凝胶的添加量对复合材料的热绝缘性能和力学性能都有显著影响。复合材料的热导率随着SiO2气凝胶添加量的增加先减小后增大，当SiO2气凝胶添加量为11wt%时，复合材料的热导率达到最低值0.254W/m·K。同时，复合材料的压缩强度随着SiO2气凝胶添加量的增大呈现出先增大后减小的变化趋势，当SiO2气凝胶添加量为8wt%时，复合材料的压缩强度达到最大值12.72MPa。以中间相沥青和改性处理后的多壁碳纳米管为前驱体，经过发泡、炭化和石墨化处理制备出多壁碳纳米管/泡沫炭复合材料。主要研究了

8、多壁碳纳米管添加量对泡沫炭力学、导热和导电性能的影响。结果表明多壁碳纳米管的添加对泡沫炭的泡孔结构具有明显影响，而且，复合材料的力学性能也随多壁碳纳米管含量的增加呈现出先增大后减小的变化趋势，最大可达11.72MPa。复合材料的热导率随着多壁碳纳米管含量的增加呈现出先增大后减小的变化趋势，当多壁碳纳米管的含量为2wt%时，复合材料的热导率达到最