轻质多功能多孔碳材料的制备及性能研究.pdf

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1、博士学位论文轻质多功能多孔碳材料的制备及性能研究FABRICATIONANDPROPERTIESOFLIGHTWEIGHTANDMULTIFUNCTIONALPOROUSCARBONMATERIALS袁野哈尔滨工业大学2018年5月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学博士学位论文轻质多功能多孔碳材料的制备及性能研究博士研究生：袁野导师：李宜彬教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：航天学院答辩日期：2018年5月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:620Dissertation

2、fortheDoctoralDegreeinEngineeringFABRICATIONANDPROPERTIESOFLIGHTWEIGHTANDMULTIFUNCTIONALPOROUSCARBONMATERIALSCandidate：YuanYeSupervisor：Prof.LiYibinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：May,2018Degree-Conferrin

3、g-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要多孔碳材料是由碳基体材料组成的一种三维多孔材料，具有密度小、比表面积大和生物兼容性好等诸多优点，因而在电子器件、储能、环境保护和热管理等方面有着良好的应用潜力。但是多孔碳材料在研究和应用过程中存在着结构强度差、功能较单一和微观结构不可控等问题。针对上述问题，本文主要研究不同前驱体制备轻质多功能多孔碳材料的方法，以及微观结构变化对材料宏观力学性能和多功能特性的影响，并对具有三维结构的多孔碳材料的结构特性和多功能特性开展了系统的研究，为其在相关领域的进一步应用奠定了坚实的理论基础。本文主

4、要研究内容如下：以淀粉为碳源，通过环境友好的“发酵法”将淀粉作为基元材料构筑成为具有多孔结构的三维宏观前驱体，高温热处理制备得到微孔结构可调的轻质多功能泡沫碳。该泡沫碳组分中的石墨相碳和无定形碳通过化学键相互连通，构筑成了多孔宏观结构的基体。在“发酵”过程中调节酵母、水以及淀粉的比例能够有效控制泡沫碳的微观孔结构，实现对材料宏观性能的影响。丰富的多孔结构赋予泡沫碳极大的比表面积，其比表面积最大能达到988m2/g。在较低的密度下泡沫碳还具有良好的抗压强度，当密度为0.27g/cm3时，泡沫碳的压缩强度为3.68MPa，比压缩强度高达13.49MPa∙cm3∙g-1。泡沫碳

5、结构中从毫米到纳米尺度丰富的孔结构能够对热流进行有效的阻隔，密度为0.08g/cm3的泡沫碳的热导率仅为0.06W∙m-1∙K-1。泡沫碳还具有优异的电磁屏蔽效能，在X波段内电磁屏蔽效能最高可达17.2dB。为获得更轻质的多功能多孔碳材料，我们设计并制备了一种三维轻质氮掺杂石墨烯/碳/银纳米线复合刚性碳海绵。以木质素和纤维素组成的三维骨架（木头）为模板，将其与尿素混合后，通过高温碳化反应制备得到表面生长有氮掺杂石墨烯的三维复合碳海绵。该复合碳海绵具有各向异性的微观孔隙结构，从而在力学和热传导等宏观性能方面也表现出了各向异性特征。当复合碳海绵密度为0.148g/cm3时，径

6、向压缩强度为0.86MPa，而轴向压缩强度高达3.3MPa。在密度为0.127g/cm3时，当径向热导率为0.088W∙m-1∙K-1时，轴向热导率为0.135W∙m-1∙K-1。基于结构和性能的测试数据，本文还建立了基于各向异性微观结构的参数化力学和热传导模型，推导并建立了径向和轴向有效热导率的理论计算公式，阐明了微观结构几何参数对复合海绵热学性能和力学性能的影响。通过有效的制备，复合碳海绵在X波段内电磁屏蔽效能均值最高可达60dB，-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文比电磁屏蔽效能达到465.1dB∙cm3∙g−1。对这种新型复合碳海绵的电磁屏蔽机理的研究，揭示了其以

7、电磁吸收损耗为主的电磁屏蔽机理。蜂窝结构是一种轻质且承载性能较好的结构，从蜂窝结构中获得启发，本文制备出一种密度极低且具有多功能特性的石墨烯复合海绵。以芳纶纸蜂窝为模板，氧化石墨烯溶液作为原料，通过直接碳化法和冷冻干燥法，可控的制备出碳蜂窝/石墨烯复合海绵。该三维多孔碳材料在水平方向具有周期性的碳蜂窝孔结构，在轴向具有垂直于蜂窝壁的多层层状石墨烯海绵微观结构。碳蜂窝胞元内部的复合碳海绵呈现出有序的层状结构，完全有别于普通石墨烯海绵的微观结构。碳蜂窝/石墨烯复合海绵具有良好的抗压强度和较低的热导率。当复合碳海绵密度仅为0.061