泡沫炭应变力

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中间相沥青基泡沫炭发泡过程及其动力学研究

中间相沥青基泡沫炭发泡过程及其动力学研究陈石林;卢梦哲;郭建光;段桂英;陈林【摘要】以AR中间相沥青为原料,结合TG、黏度分析、MS及IR等表征方法研究了中间相沥青基泡沫炭的发泡过程及其动力学特征.结果表明:中间相沥青在发泡过程中主要发生脂肪碳链的热解反应并释放出H2、CH4、H2O和CO等气体,导致熔融沥青中的分子组成产生变化,进而引起其黏度变化.在此基础上采用TG分析模拟不同升温速率及发泡温度下中间相沥青的失重过程,并通过拟合中间相沥青恒温阶段的TG曲线,发现中间相沥青的恒温失重率Δw与发泡时间tb成较好的线性关系,结合Arrhenius方程计算得到不同升温速率下恒温发泡过程的动力学参数.此研究工作对于中间相沥青基泡沫炭的可控制备具有较好的理论指导作用.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)012【总页数】7页(P73-79)【关键词】中间相沥青;发泡过程;动力学;数学模型【作者】陈石林;卢梦哲;郭建光;段桂英;陈林【作者单位】湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082;湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TB322泡沫炭是一种具有大尺寸孔径的网状碳质多孔材料.1964年，Ford[1]首次报道了采用热固性树脂泡沫高温炭化制备得到泡沫炭的工艺.该树脂基泡沫炭具有很大的开孔，其炭形态为难石墨化的玻态炭，又被称作网状玻璃质泡沫炭.到20世纪90年代出现了新一代的炭泡沫，即用煤、石油和中间相沥青[2]等作为前驱体替代树脂制备炭泡沫.美国橡树岭国家实验室的Klett等人[3-4]以中间相沥青为原料，采用“自发泡”技术制得生料泡沫，即经炭化、石墨化后得到孔径分布均匀的泡沫炭.这种中间相沥青基泡沫炭具有热导率高、机械强度较高、耐热应力和抗冲击性好等特点，因此引起了人们的广泛关注和研究[5-7].有关中间相沥青基泡沫炭发泡机理的研究报道相当多[8-9].Klett等[10]研究了不同沥青前驱体与气泡生长过程中液晶在气泡表面排列有序度的关系，以及对制备的石墨泡沫热导率的影响；张志金等[11]研究了发泡过程中形核温度、初始压力以及固化温度对孔泡结构的影响规律；Beechem等[12]研究了发泡过程中气泡形状的变化.但中间相沥青的发泡过程及动力学分析鲜有文献报道.本文以AR中间相沥青为原料，通过分析TGDTG曲线、黏温曲线、质谱图以及不同温度热处理的红外光谱研究了中间相沥青基泡沫炭的发泡机理.在此基础上采用TG分析模拟不同升温速率及发泡温度下中间相沥青的发泡过程，并通过拟合中间相沥青恒温阶段的TG曲线，建立了中间相沥青发泡过程的数学模型，结合Arrhenius方程计算得到不同升温速率下恒温发泡过程的动力学参数.1 实验1.1 原料本实验以日本三菱化学公司生产的AR中间相沥青为原料，其物理性能参数如表1所示.表1 AR中间相沥青的物理性能Tab.1 Physical properties of AR mesophase pitch?1.2 分析与表征采用德国NETZSCH公司的STA449F5同步热分析仪对中间相沥青粉末进行TG测试，测试过程中以高纯氮气保护，气体流量为20 mL/min，样品质量为5～10 mg；对中间相沥青在高纯氩气保护下升温产生的热解气体进行质谱分析，测试设备为英国Hiden公司的DECRA气体分析质谱仪；采用溴化钾压片法（样品∶KBr=1∶100）测定样品的红外光谱，测试设备为美国TFS公司的NicoletiS10红外光谱分析仪.2 结果与讨论2.1 中间相沥青的TG分析中间相沥青的TG-DTG曲线如图1所示.测试过程升温速率为5℃/min，温度范围为35～1 000℃.由图1可以看出，中间相沥青在300～550℃区间内有较明显的热失重，最大热失重速率温度为480℃，总失重率为30.2%.这主要是因为在200～400°C，中间相沥青中的轻质组分优先发生热解挥发，且热解反应速率随温度的升高而加快；在400～480℃，中间相沥青轻组分以较快的断键速度进入强烈热分解阶段，单位时间内气体释放量达到最大，同时伴随着缩聚反应；480～550℃，中间相沥青分子的热解反应逐渐减弱，而缩聚反应增强，导致失重速率减慢.图1中间相沥青的TG-DTG曲线Fig.1 TG-DTG curves of mesophase pitch2.2 熔融中间相沥青的黏度分析图2 为熔融中间相沥青的黏温曲线.由图2可以看出，在升温至中间相沥青的软化点（275℃）之后，熔融沥青的黏度急剧降低，在360～430℃范围内达到稳定状态.此温度范围内，中间相沥青的碟状向列型液晶分子的活动能力增强，体积膨胀，分子规则的平面结构遭到破坏，分子间的相互作用力减弱，流动性随之增大，因而黏度较低.超过430℃后，其黏度开始缓慢增大.这主要是因为温度进一步升高时，中间相沥青中的轻组分发生热解反应生成小分子的挥发性物质，同时沥青分子发生交联、缩聚等反应[14-15]，导致熔融沥青中的分子组成发生变化，进而引起其黏度变化.图2 熔融沥青的黏温曲线[13]Fig.2 Viscosity of molten pitch as a function of temperature2.3 中间相沥青的质谱分析图3 所示为中间相沥青在高纯氩气保护下以5℃/min的升温速率升温至450℃过程中产生的热解气体的气相质谱图.由图3可以看出，中间相沥青在发泡过程中热解反应的气体产物主要有H2、CH4、H2O和CO等.图3中间相沥青的质谱图Fig.3 MS spectrum of mesophase pitch2.4 中间相沥青的红外光谱分析图4 所示为经不同温度热处理的中间相沥青的红外光谱图.中间相沥青中芳香环上不同取代位置的C-H的面外弯曲振动峰对应700～900 cm-1范围内3个高强度的吸收峰 [16].3 050 cm-1附近的吸收峰代表芳香环上C-H的伸缩振动峰.1 600 cm-1为多环芳烃C=C的伸缩振动峰.1 300～1 450 cm-1、2 800～2 920 cm-1范围内的吸收峰分别代表饱和甲基、亚甲基的弯曲振动和伸缩振动峰.图4 不同温度热处理的中间相沥青的红外光谱Fig.4 IR spectra of mesophase pitch under different heat treatment由图4可以看出，随着热处理温度的升高，中间相沥青在 3 050 cm-1、700～900 cm-1和 1 600 cm-1范围内的吸收峰强度基本没有变化，表明中间相沥青中含有大量多核稠环芳烃且到450°C时苯环结构基本未被破坏.在1 300～1 450 cm-1和2 800～2 920 cm-1范围内的吸收峰强度出现了明显的降低，表明热处理过程中的热解反应主要是中间相沥青分子内的脂肪族碳链结构发生断裂，导致熔融沥青的分子组成发生变化.2.5 中间相沥青发泡过程的动力学特征为了深入研究升温速率及发泡温度对中间相沥青基泡沫炭发泡过程的影响，在不同升温速率（v）和发泡温度（T）下对中间相沥青的发泡过程进行模拟TG分析，对应的样品记为v-T.图5所示为中间相沥青从室温以不同升温速率（1℃/min、5℃/min、10℃/min）升温至发泡温度（420℃、450℃、480℃），并恒温2 h的TG曲线.图6所示为升温至发泡温度后恒温2 h阶段的TG曲线.由图5、图6可知，升温速率为1℃/min时，由于升温阶段耗时较长，对恒温阶段失重率的影响也较大，其中1-480样品由于升温速率较慢且发泡温度较高，导致其在升温阶段的失重率较大，而恒温阶段失重不明显，仅为1.4%.可以认为，以1℃/min的升温速率升温至480℃时，中间相沥青的热解反应基本完成.随着升温速率的加快，不同发泡温度下恒温阶段的热失重率明显提高且热失重加快，达到恒定失重状态所需时间减少.图5 中间相沥青的TG曲线Fig.5 TG curves of mesophase pitch图6 中间相沥青的恒温TG曲线Fig.6 TG curves of mesophase pitch at constant temperatures表2为中间相沥青升温阶段和恒温阶段的失重率.由表2可以看出，随着发泡温度的升高，中间相沥青的总失重率增大，这是因为发泡温度越高，中间相沥青中的轻组分热解得越彻底.另外，在相同发泡温度条件下，随着升温速率的增加，中间相沥青的总失重率略有增大.这可能是因为在升温阶段沥青分子间的缩聚、交联反应进行得较慢，所以较慢的升温速率有利于提高沥青分子间缩聚和交联反应的程度，而缩聚和交联反应的结果是将沥青中的轻组分转变成更难裂解的大分子，导致热解反应更难进行.表2 中间相沥青各个阶段的失重率Tab.2 Mass loss of mesophase pitch at different phases?2.6 中间相沥青恒温发泡数学模型的建立为了进一步分析恒温阶段中间相沥青的热失重过程的动力学特征，通过尝试拟合[17]发现恒温阶段失重率Δw与恒温时间t在一定程度上满足幂函数关系.拟合结果如图7所示.选取的拟合通用方程为[18]：式中：Δw为中间相沥青恒温发泡阶段的失重率；C为拟合直线的斜率；b为拟合因子的指数；t为恒温时间.由图7可以看出，恒温阶段中间相沥青的失重率与发泡时间tb满足较好的线性关系，尤其当发泡温度较低（420℃）时，发泡温度升高后，其线性关系有所变形.这可能是因为中间相沥青发泡过程中同时发生热解、缩聚、交联等反应.发泡温度较低时，中间相沥青以热解反应为主，且此时中间相沥青的黏度较低，产生的气体能以稳定的速度逸出；而发泡温度较高时，中间相沥青分子既发生热解反应产生小分子气体，同时发生交联、缩聚等更复杂的反应[19]，从而破坏了其线性关系.图7 恒温发泡失重率与发泡时间的函数关系Fig.7 Mass loss as a function of foaming time由图 7（a）可见，1 °C/min 升温速率下，发泡温度为420℃、450℃、480℃时对应拟合曲线的C值分别为：1.252、3.693、6.981，b 值分别为：0.489 7、0.364 5、0.274 0，式（1）两边同时对 t求导，可得：则420℃、450℃、480℃对应的k值分别为：0.613 3、1.346、1.913，而根据Arrhenius公式以lnk的值为纵坐标，1/T的值为横坐标作图，斜率即为-Ea/R的值，截距即为lnA的值，如图8所示.由图8（a）可知，升温速率为1℃/min时反应速率常数随温度变化的关系满足Arrhenius公式，由-Ea/R=-9 943，可得活化能Ea的值为82.66 kJ/mol，同时lnA的值为13.92.图8 反应速率与温度的关系Fig.8 Relationship between reaction temperature and rate constant同理，由图 7（b）（c）可得：5 ℃/min 对应拟合曲线的 C值分别为：5.865、13.62和 25.43，b值分别为：0.256 8、0.180 1 和 0.120 3，则把 C、b 的值代入式（3）可知速率常数k的值分别为：1.506、2.454、3.060；10℃/min对应拟合曲线的C值分别为：7.467、20.70 和 32.96，b 值分别为：0.256 3、0.141 1和0.100 5，把C、b的值代入式（3）可知速率常数k的值分别为：1.914、2.920、3.311.由图 8（b）（c）可知，升温速率为5 ℃/min、10 °C/min时反应速率常数随温度变化的关系也满足Arrhenius公式.当升温速率为5℃/min时，-Ea/R=-6 197，可得活化能Ea的值为51.52 kJ/mol，同时lnA的值为9.387；当升温速率为10℃/min时，-Ea/R=-Ea/R=-4 803，可得活化能Ea的值为39.93 kJ/mol，同时lnA的值为7.622.综上，升温速率为1℃/min、5℃/min、10°C/min时，中间相沥青热解反应的活化能分别为82.66 kJ/mol、51.52 kJ/mol、39.93kJ/mol；反应速率常数随发泡温度的升高而增大.由此可以看出，升温速率越慢，恒温发泡阶段所需的活化能越高，即此时失重过程更难进行，这是因为中间相沥青的失重量主要来源于热解反应产生并释放出的小分子气体.当升温速率较慢时，升温阶段裂解挥发的轻组分较多，同时沥青分子缩聚、交联反应的程度相对较高，故在恒温发泡阶段热解反应难以发生，活化能较高，这与之前的分析一致.3 结论1）中间相沥青在发泡过程中主要发生脂肪碳链的热解反应，释放出H2、CH4、H2O和CO等气体，导致熔融沥青中的分子组成产生变化，进而引起其黏度变化. 2）中间相沥青发泡过程的总失重率随发泡温度的升高而增大，这是因为发泡温度越高，中间相沥青中的轻组分热解得越彻底；升温速率较快时，抑制了缩聚、交联反应的进行，有利于提高中间相沥青发泡过程的总失重率.3）对不同升温速率和发泡温度下中间相沥青的TG曲线进行拟合，发现恒温阶段的失重率Δw与发泡时间tb成线性关系，结合Arrhenius方程，得到了1℃/min、5℃/min、10℃/min升温速率下恒温发泡阶段热解反应的活化能分别为82.66kJ/mol、51.52 kJ/mol、39.93 kJ/mol，反应速率常数随发泡温度的升高而增大. 参考文献【相关文献】［1］ FORD W D.Method of making cellular refractory thermal insulating material：US3121050［P］.1964-02-11.［2］陈石林，郭建光，周娩红，等.催化聚合工艺对萘沥青结构和性能的影响［J］.湖南大学学报（自然科学版），2017，44（6）：81—86.CHEN S L，GUO J G，ZHOU M H，et al.Effect of the catalytic polymerization parameterson structure and properties of naphthalene pitch［J］.Journal of Hunan University （Natural Sciences），2017，44（6）：81-86.（In Chinese）［3］ KLETT J W.Process for making carbon foam：US6033506A［P］.2000-03-07.［4］ KLETT J W，MCMILLAN A D，GALLEGO N C，et al.Effects of heat treatment conditions on the thermal properties of mesophase pitch-derived graphitic foams［J］.Carbon，2004，42（8/9）：1849—1852.［5］安秉学，李同起，王成扬.发泡条件对中间相沥青基泡沫炭形成的影响［J］.炭素技术，2005，24（6）：1—4.AN B X，LI T Q，WANG C Y.Effect of foaming conditions on formation of mesophasepitch-based carbon foams［J］.Carbon Techniques，2005，24（6）：1—4.（In Chinese）［6］肖锋，张红波，熊翔，等.发泡压力对中间相沥青基泡沫炭结构及性能的影响［J］.中国有色金属学报，2010，20（7）：1346—1352.XIAO F，ZHANG H B，XIONG X，et al.Effects of foaming pressure on micro structuresand properties of mesophase-pitch-derived carbon foams［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，20（7）：1346—1352.（In Chinese）［7］王小军，杨俊和，詹亮，等.中间相沥青基泡沫炭的制备、结构及性能［J］.材料科学与工程学报，2008，26（3）：390—394.WANG X J，YANG J H，ZHAN L，et al.Preparation and performance of mesophase pitch based carbon foam［J］.Journal of Materials Science&Engineering，2008，26（3）：390—394.（In Chinese）［8］GONZÁLEZ R，LUDWIKOWSKI B M.Study of the growth and motion of graphitic foam bubbles［J］.Carbon，2005，43（15）：3075—3087.［9］ SIHN S，ROY A K.Modeling and prediction of bulk properties of open-cell carbon foam ［J］.Journal of the Mechanics&Physics of Solids，2004，52（1）：167—191. ［10］ KLETT J，HARDY R，ROMINE E，et al.High-thermal-conductivity，mesophase-pitch-derived carbon foams：effect of precursor on structure and properties［J］.Carbon，2000，38（7）：953—973.［11］张志金，于晓东，王扬卫，等.发泡条件对炭泡沫孔泡结构的影响［J］.北京理工大学学报，2012，32（6）：641—644.ZHANG Z J，YU X D，WANG Y W，et al.Effect of foaming technology on pore structureof carbon foams［J］.Transactions of Beijing Institute of 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超临界条件对沥青泡沫炭结构的影响

炭化制备成泡沫炭。据沥青的流变性能和溶解性能选择了甲苯作为溶剂，根考察了溶剂比例、泡温度、力发压
及压力释放速率对沥青泡沫孔结构的影响。从超临界体系相平衡分析了超临界流体对沥青泡沫形成的作用机理。实验表明，溶剂比例为１％～５，始压力２５４０ａ发泡温度在２０１保温时间４在００初．～．ＭＰ，９～３５Ｃ，
王鹏吕永根，显营辛诚杨常玲潘鼎，秦，，，
（．１纤维材料改性国家重点实验室东华大学材料科学与工程学院，上海２０５；００１
２东华大学化学与化工学院，．上海２０５）００１
摘要：以煤焦油沥青为原料，高压反应釜中，在选择合适溶剂在超临界流体状态下制备了沥青泡沫，经过氧化、
Ｓａｇａ２０５Ｃｈｎ；ｈｎｈｉ００１，ｉａ２ＤｅａｔｎｆｃｅｓｒｎｈｍｉａｎｉｅｒｎＤｏｇｕｉｅｓｔＳａｇａ２０５，ｉａ．ｐｒｍｅｔｏｈｍｉｔｙａｄｃｅｃｌｅｇｎｅｉｇ，ｎｈａＵｎｖｒｉｙ，ｈｎｈｉ００１Ｃｈｎ）
（．ａｅｋｅａｏｒｔｙｆｒｍｏｆｃｉｈｅｃｌｆｂｅｓａｏｙｒｍａｅｉｌＤｏｇｈｕｎｖｒｉｙ，１Ｓｔｔｙｌｂａｏｒｏｄｉｉａｔｏｎｏｆｃｍｉａｉｒｎｄｐｌｍｅｔｒａｓ，ｎａＵｉｅｓｔ

石墨泡沫炭市场分析报告

石墨泡沫炭市场分析报告1.引言1.1 概述石墨泡沫炭是一种新型多孔材料，具有优异的导热性能和化学稳定性。

近年来，随着全球环境保护意识的增强和新能源材料的需求不断增加，石墨泡沫炭作为一种绿色环保材料受到了广泛关注。

本文将对石墨泡沫炭的制备方法、应用领域以及市场发展趋势进行深入分析，旨在为相关行业提供市场参考和发展建议。

通过对石墨泡沫炭市场的综合研究，可以更好地了解该材料在不同领域的应用前景，并为未来的发展提供有益指导。

文章结构部分内容如下：1.2 文章结构本报告分为引言、正文和结论三部分。

在引言部分，将对石墨泡沫炭进行概述，并介绍文章的结构和目的。

在正文部分，将详细介绍石墨泡沫炭的定义、制备方法和应用领域。

在结论部分，将对石墨泡沫炭市场进行分析，探讨发展趋势，并提出建议与展望。

整个报告将全面而系统地分析石墨泡沫炭的市场情况，为读者提供全面的了解和参考。

1.3 目的目的：本报告的目的是对石墨泡沫炭市场进行深入分析，了解其当前市场状况和发展趋势，为相关企业和投资者提供参考和决策依据。

通过对石墨泡沫炭的定义、制备方法和应用领域进行梳理和总结，结合市场调研数据，分析市场规模、竞争格局、行业发展趋势和市场需求特点，为行业发展提供有价值的参考。

同时，报告还将提出合理的建议和展望，帮助相关企业和投资者把握市场机遇，规避市场风险，促进行业健康稳定发展。

1.4 总结总结部分:总体来说，本报告对石墨泡沫炭市场进行了全面的分析和研究。

在引言部分中，我们概述了石墨泡沫炭的定义以及本文结构和目的。

在正文部分，我们详细介绍了石墨泡沫炭的制备方法和应用领域。

在结论部分，我们对市场进行了分析，探讨了石墨泡沫炭的发展趋势，并提出了建议和展望。

通过本文的研究，我们深刻认识到石墨泡沫炭在多个行业的广泛应用，并且市场需求持续增长。

随着科技和工业的不断发展，石墨泡沫炭的市场前景非常看好。

建议相关企业加大石墨泡沫炭的研发投入，提高产品质量和技术水平，以满足市场需求，把握市场机遇。

中间相沥青基泡沫炭的制备及性能

比较好，压力越大孔径越小；经炭化后泡沫炭孔径略有收缩，孔壁结晶取向度比较完善；４０Ｃ２０￣石墨化后孔壁的结晶取向度得到了加强，形成了高度取向的石墨化结构，密度为０３ｓｃ热导率达到了３（．／ｍ，２ｗ／ｍ・
Ｋ）。
关键词中问相沥青，泡沫炭，制备，性能
ＧｏＱａｇｉｕｕｎｕ
ＬｕＬｎｉａｇ
（ＫｙＬｂｒｔｙｏａｂｎＭａｒｌ，ｓｔｅｏｏｌｈｍｉｒ，ｈｎｓｃｄｍｆｃｎｅ，ａｙａ０００）１ｅａａｒｆｒｏｔｉｓＩｔｕｆａＣｅｓｙＣｉｅｅａｅｙｏｉｃｓＴｉｎ３０１ｏｏＣｅａｎｉｔＣｔＡＳｅｕ
（ＧａｕｔＳｈｏｏｈｎｓｃｄｍｆｃｅｃｓｅｉｇ１０３）２ｒｄａｏｌｆｉｅｅＡａｅｙｏｉｅ，Ｂｉｎ００９ｅｃＣＳｎｊ
ＡｂｔａｔＲａｆａｒｒｐｒｄｆｍｓｐａｅｐｔｈｉｔｉｌｓｔｅｌｙｈａｉｇｔｐｒｐｉｓｒｃｗｍｓａｅｐｅａｅｒＡＲｍｅｏｈｓｉｎａｓａｎｅｓｓｌｍｏｄｂｅｔｏａｐｏｒｏｏｃｅｎａｅｔｍｐｒｔｒｎｅｄｑａｅｐｅｓｒ．Ｔｅｒｗｆａｒｕｔｅａｂｎｚｄａｄｇａｈｔｅｔｅｅａｕｅｕｄｒａｅｕｔｒｓｕｅｈａｏｍｓａｅｆｒｈｒｃｏｉｅｎｒｐｉｚｄ，ｔｅｃｂｎｆａｒｉｈａｏｏｍｓｒｗｉｈｅ — ｉｎｉｎｌｒｔｕａｅｐｒｔｃｕｅａｅｏｔｉｅ．Ｔｅｉｆｅｃｆｔｍｐｒｔｒａｅａｄｐｅｓｒｎｔｔｒｅｄｍｅｓｏａｅｉｌｔｏｅｓｒｔｒｒｂａｎｄｈｎｕｎｅｏｈｃｕｌｅｅａｕｅｒｔｎｒｓｕｅｏｐｒｔｃｕｅｏａｂｎｆａｉｔｄｅ．Ｔｅｔｅｍａｏｄｃｉｅｐｏｅｔｓａｓｔｄｅ．Ｉｉｆｕｄｔａｅｓｒｃｏｅｓｒｔｒｆｃｏｍｓｕｉｄｈｒｌｃｎｕｔｒｐｒｉｌｏｓｉｄｔｓｏｎｔｔ — ｕｒｏｓｈｖｙｕｈｔｈｕｔｒｆｐｒａｅｃｎｒｌｄｂｈｎｉｇｔｍｐｒｔｒａｅａｄｐｅｓｒ，ａｄｂｔｒｐｒｔｃｕｅｉｏｔｉｅｔｕｅｏｅｃｎｂｏｔｌｙｃａｇｎｅｅａｕｅｒｔｒｓｕｅｎｅｔｏｅｓｒｔｒｓｂａｎｄａｏｏｅｎｅｕｈａｉｇ１Ｃ／ｎ，ｔｌｖｔｎｏｒｓｕｅａｄｔｅａｅｔｒｆｃｂｎｆａｂｃｍｅｓｌＴｅｓｚｆｐｒｆａ－ｅｔ￣ｍｉｗｉｅｅａｉｆｐｅｓｒｐｒｅｏａｏｍｅｏｍａ１ｈｉｅｏｏｅｏｒｎｈｏｎｈｕｒｏ．Ｃ

泡沫炭的研究进展

泡沫炭的研究进展泡沫炭是一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料。

依据其孔壁的微观结构，可以分为石墨化和非石墨化泡沫炭。

除具有炭材料的常规性能外，泡沫炭还具有密度小、强度高、抗热震、易加工等特性和良好的导电、导热、吸波等物理和化学性能，通过与金属或非金属复合，可以获得高性能的结构材料。

这些优异的性能使泡沫炭在化工、航空航天、电子等诸多技术领域极具应用潜力。

近年来，泡沫炭材料的研究在国内外得到高度关注，内容涉及新原料的选择与调变、制备工艺技术的开发和优化、产品的微观结构、材料的力学性能、热性能的揭示和调控以及最佳应用途径的拓展等各个方面。

毫无疑问，基于价廉易得的初始原料，采用简易的工艺路线、制备性能优异且稳定的泡沫炭材料是人们追求的终极目标之一。

煤炭储量丰富、价格低廉，利用组成和结构独特的煤和煤系物来制备具有特定结构和性能的泡沫炭在国内外倍受关注，有很好的发展潜力。

1 泡沫炭的制备围绕泡沫炭的制备及应用研究已开展了大量的工作。

最早的泡沫炭是Walter Ford在20世纪60年代初热解热固性酚醛泡沫而制得的，这种泡沫炭具有非常高的开孔率，孔壁呈非石墨化状态，导热率低，表现出优异的绝热性能，可用作高温绝热材料。

通常，这种泡沫炭又被称作网状玻璃态泡沫炭(Reticulated vitreous carbon foam)。

早期泡沫炭的制备研究主要是以有机聚合物为原料，受原料性质的限制，制得的泡沫炭虽然有一定强度，但脆性较大。

为克服这一缺陷，优化材料的力学性能，拓宽其应用领域，在随后的研究工作中，人们通过不同的手段来调变泡沫炭材料的结构，包括在制备原料中添加各种增强剂、优化工艺参数以及尝试使用不同原料等，以达到改善材料性能的目的。

目前大多数的制备研究工作主要以中间相沥青为原料展开。

美国空军材料实验室在20世纪90年代初期首次以中间相沥青为原料，实现了石墨化结构泡沫炭的合成。

泡沫炭的石墨化结构特征使其具有很高的热导率和优异的力学性能，这进一步扩大了泡沫炭的应用范围。

泡沫材料拉伸试验

泡沫材料拉伸试验一、试验介绍拉伸试验是一种常见的材料力学性能测试方法，用于评估材料在受力时的延展性、强度和变形能力。

本文将重点讨论泡沫材料在拉伸试验中的表现以及相关参数的分析。

二、试验原理拉伸试验是通过施加一个逐渐增加的拉力，使材料在长度方向发生变化，从而测量材料在拉伸过程中的载荷-变形关系。

主要参数包括杨氏模量、屈服强度、断裂强度等。

2.1 材料选择泡沫材料是一种轻质、多孔的材料，常用于各类缓冲、隔热和包装应用中。

根据具体应用需求，可以选择不同种类的泡沫材料进行试验。

2.2 试验设备拉伸试验通常需要使用一台力学试验机。

该设备通过油压机构施加拉伸力，同时测量引伸计和称重传感器的信号，从而得到材料的应力-应变曲线。

三、试验过程为了保证试验结果的准确性，以下是一个标准的泡沫材料拉伸试验过程：3.1 材料准备1.选择合适的泡沫材料样本，确保其尺寸和形状符合试验要求。

2.在样本表面标记好引伸计和夹持点，以确保试验时施力的准确性和稳定性。

3.2 试验设置1.将样本放置在拉伸试验机的夹具上，并调整夹具距离，以确保样本在拉伸过程中不会发生滑动或失稳。

2.根据材料的特性，设置合适的拉伸速度和力的范围，以便获取完整的应力-应变曲线。

3.3 开始试验1.启动拉伸试验机，使其施加拉力到样本上。

2.同步记录加载力和样本的变形数据。

3.当样本达到破坏点或试验终止条件时，停止试验。

3.4 数据分析根据试验数据，可以计算出以下参数：3.4.1 杨氏模量通过计算应力-应变曲线的斜率，可以得到材料的杨氏模量，该参数反映了材料对拉伸应变的抵抗能力，是一个衡量材料刚性的指标。

3.4.2 屈服强度通过计算应力-应变曲线的偏移点，即应力超过线性阶段，进入非线性阶段的点，可以得到材料的屈服强度。

3.4.3 断裂强度试验结束时，记录材料的最大载荷，即可得到材料的断裂强度，该参数反映了材料在拉伸过程中的破坏能力。

四、试验结果示例根据以上试验过程，以下是一个泡沫材料拉伸试验的结果示例：序号载荷 (N) 应变 (%)1 10 0.012 20 0.02序号载荷 (N) 应变 (%)3 30 0.044 40 0.065 50 0.08根据以上数据可以绘制出材料的应力-应变曲线。

泡沫炭的成核机理及其复合增强机制

泡沫炭的成核机理及其复合增强机制霍云霞;何自国;詹亮;刘想;王艳莉【摘要】Carbon foam composites were prepared by a self-foaming method from mesophase pitch using mesocarbon microbeads ( MCMBs) , PAN based carbon fibers ( PAN-CFs) and ZrO2 nanoparticles were used as the fillers for reinforcement. The effects of the fillers on the foaming behavior and the compressive strength were investigated. Results show that ZrO2 nanoparticles produce a larger increase in the compressive strength of the carbon foam than do MCMBs and PAN-CFs. The compressive strength of the car-bon foam increases from 7. 57 to 31. 4 MPa when 30% of the ZrO2 nanoparticles is added to the mesophase pitch. The foam forma-tion obeys the hot-point nucleation mechanism, in which gaseous products released from light hydrocarbons are heated to generate nuclei by localized condensation reaction heat.%以中间相炭微球( MCMB)、聚丙烯腈基炭纤维( PAN-CF)和纳米氧化锆( ZrO2)为增强体,采用自发泡法制备出泡沫炭复合材料,并研究不同增强材料对中间相沥青基泡沫炭的发泡行为和压缩强度的影响。

中间相沥青基泡沫炭的制备、结构及性能

中间相沥青基泡沫炭的制备、结构及性能王小军;杨俊和;詹亮;乔文明;张睿;梁晓怿;凌立成【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2008(026)003【摘要】以萘系中间相沥青为原料,考察了发泡条件、炭化和石墨化工艺对所制泡沫炭结构和性能的影响.结合粘温曲线、TG-DTG热重曲线以及不同发泡条件下泡沫炭的表面形貌分析,其最佳发泡条件为:发泡温度600℃,升温速率5℃/min,发泡压力5MPa.石墨化升温速率越低越有利于泡沫炭石墨微晶的生长及压缩强度的提高,其中以5℃/min升温至2800℃并恒温30min所制泡沫炭的压缩强度达1.38MPa.【总页数】5页(P390-394)【作者】王小军;杨俊和;詹亮;乔文明;张睿;梁晓怿;凌立成【作者单位】华东理工大学化学工程国家重点实验室,上海,200237;上海应用技术学院材料科学与工程系,上海,200235;华东理工大学化学工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学化学工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学化学工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学化学工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学化学工程国家重点实验室,上海,200237【正文语种】中文【中图分类】TQ127.1+【相关文献】1.中间相沥青基活性泡沫炭的制备及其电化学性能研究 [J], 景磊;赵东林;刘辉;孙杰;谢卫刚;迟伟东;沈曾民2.中间相沥青基泡沫炭的制备及性能 [J], 闫曦;史景利;宋燕;郭全贵;刘朗3.中间相沥青基泡沫炭的制备与结构表征 [J], 李同起;王成扬4.制备工艺对中间相沥青基泡沫炭结构的影响 [J], 陈青香;李铁虎;庄强;李风娟;程有亮5.石油系中间相沥青基泡沫炭的制备与结构研究 [J], 张伟;王成扬;王妹先;张晓林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

泡沫材料的应力应变曲线

泡沫材料的应力应变曲线泡沫材料是一种由脆弱材料加入空气泡沫形成的多孔材料，具有轻质、吸震、隔热等特性。

泡沫材料的特殊结构决定了它的应力应变曲线具有一些独特之处。

泡沫材料的应力应变曲线通常可以分为四个阶段：线性弹性阶段、拱起阶段、坍塌阶段和破坏阶段。

在泡沫材料的线性弹性阶段，应力与应变呈线性关系。

这是由于材料内部的微观结构处于比较规则的状态，应力作用下泡沫材料各部分变形相对均匀。

在这个阶段，泡沫材料具有较好的弹性和回弹性能。

当外力停止作用时，泡沫材料会立即恢复到原来形态。

但是随着应变的增加，泡沫材料会进入拱起阶段。

在这个阶段，材料开始出现临界点，应力与应变的关系不再呈线性，而是变得非线性。

这是由于泡沫材料内部的空气泡沫被压缩，在局部区域形成了一个或多个几何体，使得应力分布不再均匀。

这种失稳的现象导致了应力的快速增加，同时使材料的刚度下降。

当应变超过拱起阶段后，泡沫材料进入坍塌阶段。

在这个阶段，泡沫材料内部的空气泡沫开始塌陷和变形，由于材料结构的破坏，应力增加速度进一步加快。

此时，材料的储能能力已经丧失，材料的刚度急剧下降。

最后，当应变继续增加，泡沫材料会进入破坏阶段。

在这个阶段，泡沫材料内部的空气泡沫已经完全塌陷，材料失去强度，无法再承受更大的应力。

这时，材料会发生破裂、断裂等破坏现象。

需要注意的是，泡沫材料的应力应变曲线在不同材料、不同结构和制作工艺下会有所变化。

例如，泡沫材料的孔隙率、孔径分布、内部结构形态等都会影响材料的应力应变曲线。

此外，泡沫材料的制备条件和后处理也会对曲线形态产生影响。

总结起来，泡沫材料的应力应变曲线具有线性弹性阶段、拱起阶段、坍塌阶段和破坏阶段四个主要阶段。

了解材料的应力应变曲线对于正确使用和设计泡沫材料具有重要的意义。

因此，在实际应用过程中，需要对泡沫材料的应力应变性能进行充分的测试和研究，以更好地满足工程需求。

泡沫应变率对行人小腿碰撞性能影响的研究

泡沫应变率对行人小腿碰撞性能影响的研究在行人安全领域，小腿碰撞性能一直是重要的研究领域，因为许多事故中小腿是最容易受到损伤的部位。

近年来，很多研究表明，泡沫应变率对行人小腿碰撞性能具有重要影响。

本文将介绍泡沫应变率对行人小腿碰撞性能影响的研究。

泡沫应变率是指泡沫材料在加载时的应变速率。

很多现代车辆都采用了泡沫材料来减轻行人在碰撞时受到的伤害。

然而，泡沫的应变率会直接影响到其吸收冲击能力，因此它们的碰撞性能也会受到影响。

研究人员利用有限元分析方法研究了不同泡沫应变率下的小腿碰撞性能。

在实验中，他们使用了一个基于真实行人体型和骨骼结构的人体模型，并对其进行碰撞测试。

测试包括对典型的汽车保险杠碰撞和路边车祸两种场景的模拟。

实验结果表明，泡沫应变率对行人小腿碰撞性能有明显影响。

在保险杠碰撞场景中，当泡沫应变率较低时（即泡沫材料坚硬），小腿受到的最大应力也更大，因此受伤的风险更高。

而当泡沫应变率较高时（即泡沫材料柔软），小腿受到的最大应力更小，因此受伤的风险也相应降低。

在路边车祸场景中，泡沫应变率的影响更加显著。

当泡沫应变率较低时，车辆与行人碰撞时，行人的小腿更容易受到致命伤害，同时车辆的保险杠也更容易变形，对行人造成更大的伤害。

而当泡沫应变率较高时，行人小腿的碰撞性能得到了很大提升，因此可以有效地保护行人的生命安全。

值得注意的是，实验结果还表明泡沫应变率对碰撞速度和角度也有影响。

当碰撞速度较低时，泡沫应变率对小腿碰撞性能的影响不太显著；而当碰撞速度较高时，其影响则更加显著。

此外，泡沫应变率还会受到碰撞角度的影响，不同角度下的小腿碰撞性能也会存在差异。

综上所述，泡沫应变率对行人小腿碰撞性能有重要影响。

对于汽车保险杠和其他汽车设计中涉及到泡沫材料的部分，需要考虑其应变率对行人安全性能的影响。

这也为小腿碰撞性能的研究提供了更远一步的思路。

此外，研究人员还对不同种类的泡沫材料进行了比较。

结果表明，不同种类的泡沫材料在吸收冲击能力方面存在明显差异。

发泡温度对炭泡沫结构及性能的影响

发泡温度对炭泡沫结构及性能的影响炭泡沫是一种由炭化废弃物或生物质原料制成的多孔炭状材料，具有轻质、高孔隙率、良好的导热性和吸附性等优点，因此在储能、吸附、过滤等领域有着广泛的应用前景。

而发泡是炭泡沫制备过程中的关键步骤，发泡温度是其中一个重要的影响因素，可以影响到炭泡沫的结构和性能。

本文将探讨发泡温度对炭泡沫结构及性能的影响。

首先，发泡温度对炭泡沫孔结构的影响。

在炭泡沫的制备过程中，通过在高温条件下将混合物中的发泡剂挥发气化，形成气泡，在固化后形成孔洞结构。

发泡温度的高低会影响到气泡的形成速度和大小，进而影响到孔结构的形态和密度。

一般来说，较高的发泡温度可以促进气泡的快速膨胀和扩散，形成更大的孔洞尺寸和更松散的结构，有利于提高炭泡沫的孔隙率和比表面积。

而较低的发泡温度则容易导致气泡的扩散受限，孔洞尺寸变小，形成较为致密的结构。

其次，发泡温度对炭泡沫物理性能的影响。

炭泡沫的物理性能主要包括密度、力学强度、导热性等。

在一定范围内，较高的发泡温度有助于减小炭泡沫的密度，提高其孔隙率和比表面积，从而降低热传导路径，提高其导热性能。

但是，过高的发泡温度可能会导致炭泡沫内部的孔洞结构破坏，从而降低了其力学性能。

因此，在选择合适的发泡温度时需要权衡炭泡沫的孔结构和物理性能之间的关系，以获得满足特定应用要求的炭泡沫制品。

另外，发泡温度还会影响到炭泡沫的热稳定性和化学稳定性。

在高温条件下进行发泡可以促进混合物中挥发性组分的挥发和孔洞结构的形成，有利于降低炭泡沫的挥发物含量，提高其热稳定性。

同时，高温发泡也有助于提高炭化产物的结晶度和热稳定性，从而提高炭泡沫的耐热性和化学稳定性。

综上所述，发泡温度对炭泡沫结构及性能有着重要的影响。

在炭泡沫的制备过程中，通过合理控制发泡温度，可以调控炭泡沫的孔结构、物理性能、热稳定性和化学稳定性，以满足不同应用领域对炭泡沫制品的要求。

在未来的研究中，可以进一步深入探讨发泡温度对炭泡沫结构和性能的影响机制，优化制备工艺参数，提高炭泡沫的性能表现，拓展其在更多领域的应用。

低温低压下发泡制备泡沫碳的结构与性能研究

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｏａｍｓｐｒｅｐａｒｅｄｖｉａｐｒｅ — ｏｘｉｄａｔｉｏｎ（ＣＦ — Ｙ）ｏｒｎｏｐｒｅ－ｏｘｉｄａｔｉｏｎ（ＣＦ — ｎ）ｗｅｒｅｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ．Ｔｈｅｄｉｇｉｔａｌ
关键词：泡沫碳；低温低压；发泡文献标识码：Ａ文章编号：１６７１ — ０４６０（２０１３）０２ — ０１３１－０４中图分类号：ＴＱ０５０．４
ＳｔｕｄｙｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＣａｒｂｏｎＦｏａｍＰｒｅｐａｒｅｄＵｎｄｅｒＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＬｏｗＰｒｅ，纤维材料改性国家重点实验室，上海２０１６２０）
摘
要：在温度低至３６０ｏＣ，初始压力低至１ＭＰａ的条件下发泡制得沥青泡沫，并不经过预氧化而直接碳
化制备孔径均匀的泡沫碳，泡沫碳的平均孔径为３００～７００ｇｍ。并且对比了省略预氧化步骤和保留预氧化步骤制备的泡沫碳的结构和性能。通过数码照片和扫描电镜观察，省略预氧化步骤制得的泡沫碳的泡孔形状并没有发生变化，只是微裂纹较多。通过对比抗压强度发现，省略预氧化步骤制得的泡沫碳比保留预氧化步骤制得的泡沫碳低１２％左右。由于制备简单，并且孔径较大，本工艺制备的泡沫碳适于用作复合材料的基体。

纳米碳管对泡沫炭的超临界发泡行为及其力学性能的影响机制

第26卷第10期无机材料学报Vol. 26No. 102011年10月Journal of Inorganic Materials Oct., 2011收稿日期: 2010-12-13; 收到修改稿日期: 2011-03-08基金项目: 中央高校基本科研业务费专项基金(WA1014016); 国家自然科学基金(50730003, 50672025, 20806024, 51002051);国家863重点项目(2008AA062302); 国家科技支撑计划项目(2009BAE72B04)The Fundamental Research Funds for the Central Universities (WA1014016); National Natural Science Foundation ofChina (50730003, 50672025, 20806024, 51002051); 863 Program (2008AA062302); National Key Technology R&D Program (2009BAE72B04)作者简介: 鲍英(1962−), 女, 博士.通讯作者: 詹亮, 副教授. E-mail: zhanliang@; 杨俊和, 教授. E-mail: jhyang@文章编号: 1000-324X(2011)10-1020-05 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2011.01020纳米碳管对泡沫炭的超临界发泡行为及其力学性能的影响机制鲍英1, 王春晓1, 詹亮1, 王艳莉1, 杨光智2, 杨俊和2, 凌立成1(1. 华东理工大学化学工程联合国家重点实验室, 特种功能高分子材料及其相关技术教育部重点实验室, 上海200237; 2. 上海理工大学材料科学与工程学院, 上海200093)摘要: 采用超声波−磁力搅拌的方法, 实现了纳米碳管(CNTs)在中间相沥青(MP)中的均匀分散, 并考察了CNTs 对泡沫炭的超临界发泡行为及其压缩强度的影响. 研究结果表明: 在超临界发泡过程中, 处于过饱和状态的甲苯将优先在CNTs/MP 固−液界面处成核, 进而不断扩散、聚集、膨胀和发泡, 导致泡沫炭孔结构的均一性得以提高; 当在中间相沥青中均匀分散3.5wt%的CNTs 后, 所制泡沫炭的压缩强度由 3.2MPa 提高到4.7MPa, 升高了46.9%; CNTs 良好的导热性能降低了基体碳在石墨化过程中的热应力差异, 使得微裂纹的数量减少, 并且其一维纳米结构使得石墨化泡沫炭的孔壁和韧带结构得以增强. 关键词: 泡沫炭; 纳米碳管; 超临界发泡中图分类号: TQ127 文献标识码: AEffect Mechanisms of Carbon Nanotubes on the Supercritical Foaming Behaviorsand Mechanical Performance of Carbon FoamBAO Ying 1, WANG Chun-Xiao 1, ZHAN Liang 1, WANG Yan-Li 1, YANG Guang-Zhi 2,YANG Jun-He 2, LING Li-Cheng 1(1. State Key Laboratory of Chemical Engineering, Key Laboratory for Specially Functional Polymers and Related Technology of Ministry of Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2. University of Shang-hai for Science and Technology, School of Material Science and Engneering, Shanghai 200093, China)Abstract: Carbon nanotubes (CNTs) were dispersed uniformly into mesophase pitch (MP) by the co-dispersion ofultrasonic and magnetic force stirring. Effects of CNTs on the supercritical foaming behaviors and mechanical performance of carbon foams were investigated. The results indicate that cell nuclei will form firstly at the CNT/MP interface in the supercritical foaming process, and then diffuse, aggregate, expanse and foam. CNTs can improve the homogenicity of pore structure due to the uniform dispersed CNT/MP interface. When MP is mixed with 3.5wt% CNTs, the compressive strength of graphitized foam increases from 3.2MPa to 4.7 MPa. In the graphitization proc-ess, the heat-stress different of carbon will decrease due to the high thermal conductivity of CNTs, leading to the decrease of the amount of microcracks. Meanwhile, the one-dimensional structure of CNTs reinforces the mechani-cal strength of pore walls and ligaments.Key words: carbon foam; carbon nanotube; supercritical foaming泡沫炭作为一种三维有序的蜂窝状碳质功能材料, 具有强度高、导热系数高、电导率高、密度低及热膨胀系数低等优异特性, 使其成为导热、导电、吸波材料领域的研究热点[1-4], 预期将在航天航空、电子、能源、催化等领域有着广泛的应用前景. 泡沫炭的制备主要包括发泡、炭化和石墨化工艺, 其中, 发泡工艺是控制孔结构的关键, 而孔结构参数(包括孔形、孔径、孔径分布、泡孔密度、韧带结构、第10期鲍英, 等: 纳米碳管对泡沫炭的超临界发泡行为及其力学性能的影响机制 1021微裂纹等)又是影响泡沫炭力学、导热、导电性能的主要因素[5-9]. 目前, 研究者利用纳米碳管(CNTs)独特的一维纳米结构对泡沫炭进行复合增强[10-12], 但有关CNTs 与碳质前驱体之间的均匀分散性及其对所制泡沫炭力学性能的影响机制研究较少.近期, 本课题组开展了超临界发泡法制备泡沫炭的应用基础研究, 包括发泡工艺与泡沫炭孔结构之间的内在关系、超临界发泡机理等[7,13], 其中如何提高泡沫炭孔结构的均一性及其力学性能是该研究方向亟待解决的关键技术. 本工作考察了在中间相沥青(MP)中均匀分散一定量的CNTs 对泡沫炭的超临界发泡行为和孔结构的影响.1 实验部分1.1 原料以萘系中间相沥青(Mitsubishi 公司)为原料(其具体性质如表1所示), 并采用机械球磨方式, 将MP 粉碎至50μm.1.2 泡沫炭的制备将市售CNTs 置于适量的(0.06g/250mL)乙醇溶液中, 在200W 超声仪(80～200W)中超声2h, 得到CNTs 的胶体溶液. 再采用超声波和磁力搅拌的方法, 将CNTs 与MP 均匀分散, 其中CNTs 的含量为1.5wt%~7.0wt%. 将10gMP(或MP/CNT)置于高压反应釜(250mL)中, 加入200mL 甲苯, 在320/10MPa ℃条件下恒温1h, 然后在20s 内快速卸压至常压, 得到发泡沥青. 将发泡沥青置于氧化炉中, 在空气气氛下以0.5/min ℃升温至300℃并恒温1.5h, 再在850℃炭化2h. 将泡沫炭在高纯氩气保护下以10℃/min 的升温速率升至2800℃恒温0.5h, 得到石墨化泡沫炭.1.3 分析表征采用FEI Quanta 200FEG 型号的场发射扫描电镜(SEM)和FEI TECNAI G2 S-TWIN 型透射电镜(TEM)观测泡沫炭或CNTs 的结构特征; 泡沫炭的压缩强度测试在Instron1185材料试验机上进行.2 结果与讨论2.1 分散工艺对CNTs 在MP 中分散性的影响图1(a)为所用CNTs 的透射电镜照片, 由图可以表1 萘系中间相沥青的性质Table 1 Properties of naphthalene based mesophase pitchComposition/wt% SampleSoftening point/℃ HS HI-TS TI-PS PI-QS QIMP 220 11.3 20.5 18.2 7.5 42.5*HS: Heptane soluble; HI-TS: Heptane insoluble-toluene soluble; TI-PS: Toluene insoluble-pyridine soluble; PI-QS: Pyridine insoluble-quinolinesoluble; QI: Quinoline insoluble图1 CNTs 的TEM 照片(a)和不同CNTs/MP 混合物(b,c,d)的SEM 照片 Fig. 1 TEM image of CNTs (a) and SEM images of CNTs/MP mixtures (b,c,d)(b: mixed with mechanical ball milling method; c: mixed with the co-dispersion of ultrasonic and magnetic force stirring; d: heating the CNTs/MPproduct (c) at 300)℃1022 无机材料学报第26卷看出, CNTs在纳米尺度上呈典型的一维空心结构, 直径在40～50nm. 如果将CNTs直接与MP进行机械球磨4h, 所制混合物的表面形貌如图1(b)所示. 由图1(b)可见, 只有极少数CNTs分散在MP颗粒的表面或嵌入到颗粒的内部, 但绝大部分CNT因彼此间的相互作用仍以团聚的形势分散在MP颗粒之间. 如果将CNT和MP分别置于乙醇溶液中, 先用超声波进行分散, 分别制得CNTs/乙醇胶体和MP浆体; 再逐滴将CNTs/乙醇胶体加入到MP浆体中, 并于60℃下、以1000 r/min的转速进行磁力搅拌, 直至乙醇挥发完全, 得到如图1(c)所示的CNTs/MP混合物. 该图表明CNTs都均匀地分散在MP颗粒的表面或部分嵌入到沥青颗粒内部. 如果将均匀分散的CNTs/MP混合物(图1(c))在300℃先熔融再冷却至室温, 发现CNTs都均匀地分散在MP的基体内部(图1(d)).2.2 CNTs的分散状态对泡沫炭超临界发泡行为的影响当以机械球磨法制得的CNTs/MP混合物为原料, 甲苯作发泡剂, 在320℃/10MPa、卸压时间为20s条件下进行超临界发泡, 所制泡沫炭的表面形貌如图2(a)所示, 由图可见, 该泡沫炭的孔径约20μm左右, 较自发泡法所制泡沫炭的孔径(200~ 600μm)要小. 当甲苯与中间相沥青在超临界条件下形成均相体系后, 一旦快速卸压, 溶解在中间相沥青中的甲苯则因处于过饱和状态而与熔融沥青分相, 并逐渐聚集、膨胀, 形成泡孔. 由于绝大部分CNTs 是以团聚的形势分散在MP颗粒之间, 当10g CNTs/MP混合物置于200mL甲苯后, CNTs因密度较小会从MP颗粒表面脱离出来而分散在甲苯溶液中, 快速卸压后, 仍以团聚的形势分散在泡沫炭的孔壁上(图2(b)). 如果对分散在孔壁表面的CNTs进一步观察, 发现CNTs的外部结构在卸压前后发生了很大的变化. 卸压前, CNTs为典型的一维线形结构(图1(a)), 而卸压后却类似纺锤形(图2(c)). 由图1(a)可见, CNTs的两端均为开孔结构, 即在快速卸压前后, CNTs在管内、管外不可能存在压力差, 在径向上不会发生膨胀. 图2(d)表明, 在CNTs的表面或周围聚集很多纳米级的小颗粒, 这些小颗粒可能是溶解于超临界甲苯中的MP轻组分固化后的产物, 由于CNTs在纳米尺度上对纳米级小颗粒具有较强的吸附功能, 致使纳米小颗粒逐渐吸附于CNTs的表面. 另外, 一旦CNTs的两端被小颗粒堵住, 再膨胀时可能形成纺锤形.以MP为碳质前驱体, 甲苯作发泡剂, 在320℃/ 10MPa、卸压时间为20s条件下进行超临界发泡, 所制泡沫炭的表面形貌如图3(a)所示, 由图可见, 该泡沫炭具有两种典型的孔, 其中, 孔径为100~ 300μm、15~40μm的孔应分别归因于自发泡和超临界发泡机制. 但是从大孔的侧壁上可以明显看出因图2 以CNTs/MP为原料用机械球磨法制得的泡沫炭(a)及其孔壁上分散的CNTs(b,c,d)的SEM照片Fig. 2 SEM images of carbon foam (a) derived from the CNTs/MP product mixed with mechanical, ball milling method and CNTsdispersed on the pore walls (b,c,d)(c),(d) are the partial enlargement of (b)第10期鲍英, 等: 纳米碳管对泡沫炭的超临界发泡行为及其力学性能的影响机制 1023图3 以MP(a)和采用超声波磁力搅拌分散后300℃熔融再降至室温制得到的CNTs/MP(b,c,d)为原料制得泡沫炭的SEM 照片 Fig. 3 SEM images of carbon foams derived from MP (a) and CNTs/MP product (b,c,d), the CNTs/MP were mixed with theco-dispersion of ultrasonic and magneticforce stirring and heated at 300℃; (c) the partial enlargement of (b)超临界发泡所制泡沫炭的孔径、泡孔密度存在一定的差异. 当以图1(d)制得的CNTs/MP 混合物为原料, 按照上述相同工艺进行超临界发泡时, 所制泡沫炭(图3(b), (c))在孔径(20μm)的均一性、泡孔密度上均得到明显改善. 由图1(d)可见, 添加的CNTs 都均匀地分散在MP 中, 显然, 在熔融状态下, 中间相沥青中会存在很多CNT/MP 固−液界面, 而且理论上这些固−液界面处的Gibbs 自由能最低. 当甲苯在超临界状态下一旦快速卸压, 因处于过饱和状态而优先在这些固−液界面处成核、聚集、膨胀和发泡, 这在一定程度上将改善泡沫炭孔结构的均一性. 图3(d)表明, 在泡孔里存在CNTs, 说明发泡之前确实存在CNT/MP 固−液界面.2.3 CNTs 对泡沫炭力学性能的影响在MP 中分散不同含量的CNTs, 以甲苯作发泡剂, 在320/10MPa ℃、卸压时间为20s 条件下进行超临界发泡、炭化、石墨化, 制得系列石墨化泡沫炭, 其中图4反应出CNTs 的含量对石墨化泡沫炭压缩强度的影响规律. 由图可见, 随着CNTs 含量的增加, 泡沫炭的压缩强度先增大后降低, 当CNTs 的含量为 3.5wt%时, 压缩强度由 3.2MPa 增加到4.7MPa, 提高了46.9%.图4表明, 当添加的CNTs 含量低于3.5wt%时, 复合CNTs 能明显提高石墨化泡沫炭的压缩强度. 为了进一步考察CNTs 对石墨化泡沫炭力学性能的图4 CNTs 的含量与石墨化泡沫炭压缩强度之间的关系 Fig. 4 Relationship between the content of CNTs and com-pressive strength of graphitized foam影响机制, 本课题组对CNTs 在石墨化泡沫炭中的存在状态进行了研究. 图5(a)表明, CNTs 均匀地分散在石墨化泡沫炭的基体碳中, 此结果与图1(d)相一致, 且微裂纹的数量和尺度较少; 而以MP 为碳质前驱体, 按照相同工艺所制石墨化泡沫炭的孔壁上却存在很多宽度为20~200nm 的狭缝(图5(a)插图). 在石墨化过程中, 基体碳内部存在一定的热应力, 而泡孔的孔壁沿箭头(图5(b))方向逐渐变厚, 造成热应力呈梯度分布, 进而导致热应力的释放速度不同, 最终造成石墨化泡沫炭孔壁表面出现纳米级狭缝(图5(a)插图); 当在MP 原料中分散一定量的CNTs 后, 在石墨化过程中, CNTs 良好的导热性能1024 无机材料学报第26卷图5 在泡沫炭孔壁(a)和韧带(b)处分散的CNTs的SEM照片Fig. 5 SEM images of CNTs dispersed in the pore wall (a) and ligament (b) of carbon foam使得热应力的释放速度加快, 在一定程度上降低了基体碳中的热应力差异, 从而导致微裂纹的数量较少. 另外, 由图5(b)可以看出, 部分CNTs分散在泡沫炭的韧带中, 这些微纳米结构的CNTs, 一方面能抑制微裂纹的产生, 另一方面所形成网络结构使得石墨化泡沫炭的孔壁和韧带得以增强.需要指出的是, 当CNTs含量超过 3.5wt%时, 随着CNTs含量的增大, 石墨化泡沫炭的压缩强度反而降低, 该结果应与超临界发泡机制有关. 据对图3(d)的分析, 在超临界发泡条件下, 添加的CNTs 会形成CNT/MP固−液界面, 且在快速卸压瞬间, 处于过饱和状态的甲苯将优先在这些固−液界面处成核. 显然, 当单位面积的CNTs超过一定量后, CNTs 含量越大, 单位面积的CNT/MP固−液界面越多, 最终导致泡沫炭的泡孔密度越大, 进而造成泡沫炭的压缩强度降低.3结论考察了纳米碳管与中间相沥青的分散技术及其对泡沫炭的超临界发泡行为和力学性能的影响, 并得到如下结论: 1)采用超声波和磁力搅拌的方法, 可以实现CNTs在中间相沥青中的均匀分散; 2)当在中间相沥青中均匀分散3.5wt%的CNTs后, 所制泡沫炭的孔结构均一性得以提高, 微裂纹的数量减少, 压缩强度达4.7MPa.参考文献:[1] Hammel E, Tang X, Trampert M, et al. Carbon nanofibers forcomposite applications. Carbon, 2004, 42(5/6):1153−1158.[2] Ge M, Shen Z M, Chi W D, et al. Anisotropy of mesophasepitch-derived carbon foams. Carbon, 2007, 45(1): 141−145.[3] Wang M X, Wang C Y, Li T Q, et al. Preparation ofmesophase-pitch-based carbon foams at low pressures. Carbon,2008, 46(1): 84−91.[4] Li S Z, Song Y Z, Song Y, et al. Carbon foams with high compres-sive strength derived from mixtures of mesocarbon microbeads andmesophase pitch. Carbon, 2007, 45(10): 2092−2097.[5] Liu M X, Gan L H, Zhao F Q, et al. Carbon foams prepared by anoil-in-water emulsion method. Carbon, 2007, 45(13): 2710−2712. [6] 李娟, 王灿, 詹亮, 等(LI Juan, et al). 预氧化对中间相沥青泡沫炭结构和性能的影响机制研究. 无机材料学报(Journal ofInorganic Materials), 2009, 24(2): 315−319.[7] Li J, Wang C, Zhan L, et al. Carbon foams prepared by supercriti-cal foaming method. Carbon, 2009, 47(4):1204−1206.[8] Lafdi K, Mesalhy O, Elgafy A. Graphite foams infiltrated withphase change materials as alternative materials for space and ter-restrial thermal energy storage applications. Carbon, 2008, 46(1):159−168.[9] Gallego N C, Burchell T D, Kellt J W. Irradiation effects ongraphite foam. Carbon, 2006, 44(8) : 618−628.[10] Beechem T, Lafdi K, Elgafy A. Bubble growth mechanism in car-bon foams. Carbon, 2005, 43(5): 1055−1064.[11] Beechem T, Lafdi K. Novel high strength graphitic foams. Carbon,2006, 44(8): 1548−1559.[12] Leroy C M, Carn F, Backov R, et al. Multiwalled-carbon-nanotube-based carbon foams. Carbon, 2007, 45(11): 2317−2320.[13] Li J, Wang C, Zhan L, et al. Carbon foams prepared bysupercritical toluene. Journal of Porous Materials, 2010, 17(6):685−691.。

泡沫石墨

在泡沫孔壁和韧带裂纹处沉积一定量的SiC，显著减少微裂纹对泡沫
炭性能的影响，并提高了泡沫炭的抗氧化性能。 Mukhopadhyay等通过等离子体镀层改变了泡沫炭表面的活性，使其渗透能力增强。
炭/石墨材料。
5.日本awa用具备自烧结性能的生焦为原料，不添加任何粘结剂直接制备泡沫。
6.用具有自烧结性能的氧化中间相沥青为原料，制备炭/石墨材料。
1.泡沫炭/石墨结构
a)五边形十二面体结构
b)球形气孔状结构
2.泡沫炭/石墨性能
2.泡沫炭/石墨性能
由于泡沫炭/石墨的特殊性能，
我们可以利用非石墨化的泡沫炭的
炭化，石墨化
4.其它原料制备
1.Molina-Sabio 等将橄榄壳置于不锈钢反应器中，加压后引入水蒸
气，在沙浴中加热得到泡沫炭。
2.Tatsumi 等以蔗糖为前驱体，采用硅泡沫为模板，通过改变蔗糖的浸渍量得到孔径不同的泡沫炭。
3.以焦粉为填料，中温沥青为粘结剂，破碎混合均匀后模压成块体，
经炭化和多次浸渍/炭化循环，最后石墨化。 4. 采用粉末热压和热等静压方法，在高温高压下一步制备出泡沫
5.氧化中间相沥青制备高密/高强的炭/石墨
采用Mitsubishi Gas Chemieal Co.生产的萘基中间相沥青为原料。将沥青经过高能球磨得到粒度为2.8~8.2微米的粉末, 接着将其
置于一管式炉中在空气流(流量为35L/h) 中以3℃/min的升温速度升
温到160℃，接着再以0. 5℃/min 的升温速度升至180℃~260℃，最后在此温度下恒温60min得到氧化中间相沥青。
1.Walter Ford在20世纪60年代初热解热固性酚醛泡沫首次得到非石墨化的泡沫炭。 2.美国空军材料实验室在20世纪90年代初期首次以中间相沥青为原料，实现了石墨化结构泡沫炭的合成。 3.1998年,美国橡树岭国家实验室以中间相沥青为原料,用一种全新的工艺——自挥发发泡法成功制备了泡沫炭，其生产工艺专利一经问世就立即被美国国防部收购。 4.1999年,美国西弗吉尼亚大学的Stiller教授最早开发了用煤作前驱体制备泡沫炭的技术。

石墨化CVI泡沫炭的结构和性能

第26卷　第3期Vol 126　No 13材　料　科　学　与　工　程　学　报Journal of Materials Science &Engineering 总第113期J un.2008文章编号:167322812(2008)0320365204石墨化CVI 泡沫炭的结构和性能王永刚,林雄超,杨慧君,张江松,许德平(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京　100083) 【摘　要】　本文采用化学气相渗透技术(CV I )对泡沫炭进行复合处理,利用SEM 、XRD 等分析手段对石墨化样品进行了分析。

研究结果表明,CVI 热解炭在泡沫基体的沉积方式是:小颗粒积聚生长成为大颗粒,大颗粒不断接合,经石墨化处理后形成更加规则的结构。

石墨化CV I 泡沫炭相比原生石墨泡沫炭的电学和力学性能有很大提高,在350℃、2MPa 压力条件下制备的石墨化CV I 泡沫炭的电导率可以提高近0.9倍;在350℃、1MPa 压力条件下制备的石墨化CV I 泡沫炭的压缩强度增大近3.5倍。

因此,CV I 处理可以有效改善石墨泡沫炭的基体结构,提高石墨泡沫炭性能。

【关键词】　化学气相渗透;压缩强度;电导率;热解炭中图分类号:TB332 文献标识码:APerform ance of G raphitized CVI C arbon FoamsWANG Yong 2gang ,L IN Xiong 2chao ,YANG H ui 2jun ,ZHANG Jiang 2song ,XU De 2ping(School of Chemical and E nvironmental E ngineering ,China U niversity of Mining and T echnology ,B eijing 100083,China)【Abstract 】　Carbon foams treated with CV I (Chemical vapor infiltration )were graphitized and the SEM (Scan electronmicroscope )and XRD (X 2ray diff raction )were used to analyze the graphitized foam.The modes of granular pyrolytic carbon deposition were discussed.It indicates that :the mass original pyrolytic carbon grains depositing together grow to bigger and the bigger grains connect ceaselessly to form the anomalistic layer configuration.The results show that the conductance and mechanical performance of graphite foams treated with CV I were improved apparently.The conductance of CVI treated graphite foams (preparation condition 350℃,2MPa )increase almost 0.9times.The compressive strength of CV I treated graphite foams (preparation condition 350℃,1MPa )increase 3.5times.It was found that the CV I pyrolytic carbon ,with graphitization treatment ,amended the skeleton structure effectively and that availably improved the graphitized foams performance.【K ey w ords 】　chemical vapor infiltration ;compressive strength ;conductance ;pyrolytic carbon收稿日期:2007206215;修订日期:2007208230基金项目:国家自然科学基金资助项目(50274071)作者简介:王永刚(1960-),男,教授,博士生导师。

泡沫材料的应变率效应

泡沫材料的应变率效应
胡时胜;王悟;潘艺;周璟;李英华
【期刊名称】《爆炸与冲击》
【年(卷),期】2003(023)001
【摘要】对泡沫材料的应变率敏感性进行了系统深入的讨论,认定这种材料是应变率敏感材料,这种敏感性主要是由于泡孔的变形特性产生的.泡沫材料变形的局部化、微观惯性和致密性导致压垮应力明显提高,基体的应变率效应及泡孔的形状大小并
不能对泡沫材料应变率敏感性起主导作用.
【总页数】6页(P13-18)
【作者】胡时胜;王悟;潘艺;周璟;李英华
【作者单位】中国科学院中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室,安徽,
合肥,230027;中国科学院中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室,安徽,
合肥,230027;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国科学院
中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室,安徽,合肥,230027;中国科学院
中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室,安徽,合肥,230027;中国工程物
理研究院流体物理研究所,四川,绵阳,621900
【正文语种】中文
【中图分类】O347.3
【相关文献】
1.聚氨酯泡沫材料与聚苯乙烯泡沫材料在室内设计中的应用对比 [J], 周渝
2.冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征 [J], 余永强;张文龙;范利丹;龚健;杨蒙;孙亮
3.饱和重塑黏性土一维固结状态下应变率效应的经验模型研究 [J], 郑娟;伍肖;赖秀英
4.某隧道地基岩体的应变率效应研究 [J], 王明俊;梁永威;杨飞;冯万辉
5.冲击下混凝土试样应变率效应和惯性效应探讨 [J], 袁良柱;苗春贺;单俊芳;王鹏飞;徐松林
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泡沫材料本构模型

泡沫材料本构模型引言：泡沫材料是一种由气体相和固体相组成的复合材料，其特点是具有轻质、隔热、吸音等优良性能。

为了研究和预测泡沫材料的力学性能，科学家们提出了各种不同的本构模型。

本文将介绍几种常用的泡沫材料本构模型及其特点。

一、线性弹性模型线性弹性模型是最简单也是最常用的泡沫材料本构模型之一。

该模型假设泡沫材料的应力与应变之间存在线性关系，并且满足胡克定律。

根据胡克定律，泡沫材料的应力与应变之间的关系可以用弹性模量来描述。

这种模型适用于小应变范围内的泡沫材料，并且对应力和应变之间的关系进行了简化处理。

二、非线性弹性模型非线性弹性模型是一种更为复杂的泡沫材料本构模型。

相比于线性弹性模型，非线性弹性模型考虑了泡沫材料在大应变范围内的非线性特性。

常见的非线性弹性模型包括Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等。

这些模型基于实验数据，通过引入不同的参数来描述泡沫材料的应力和应变之间的关系。

非线性弹性模型适用于大应变范围内的泡沫材料的力学行为分析。

三、塑性模型塑性模型是一种更加复杂的泡沫材料本构模型。

塑性模型假设泡沫材料在加载过程中会发生塑性变形，并且材料的应力与应变之间存在非线性关系。

常用的塑性模型包括Mohr-Coulomb塑性模型、Drucker-Prager塑性模型等。

这些模型通过引入塑性应变和塑性势函数来描述泡沫材料的非弹性行为。

塑性模型适用于泡沫材料在加载过程中发生明显塑性变形的情况。

四、损伤模型损伤模型是一种考虑泡沫材料损伤效应的本构模型。

泡沫材料在受力过程中可能会发生损伤，导致强度和刚度的降低。

损伤模型通过引入损伤变量来描述泡沫材料的损伤行为。

常见的损伤模型包括弹性损伤模型、弹塑性损伤模型等。

这些模型可以定量地描述泡沫材料在受力过程中的损伤演化规律。

五、粘弹性模型粘弹性模型是一种综合考虑泡沫材料弹性和粘性特性的本构模型。

泡沫材料在加载过程中既存在弹性变形，也存在粘性变形。