中间相沥青基炭泡沫体的制备_结构及性能
一种中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺[发明专利]
![一种中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5b1f3738bb1aa8114431b90d6c85ec3a87c28baf.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202110043927.3(22)申请日 2021.01.13(71)申请人 中国石油大学（华东）地址 266580 山东省青岛市黄岛区长江西路66号(72)发明人 刘东 娄斌 李骏 项在金 龚鑫 温福山 师楠 殷长龙 杨修洁 陈坤 王昊喆 丑维超 刘晓 尹晓霜 周广雪 郭永 冯敬高 (74)专利代理机构 青岛高晓专利事务所(普通合伙) 37104代理人 段雅静(51)Int.Cl.C10C 3/00(2006.01)C10C 3/08(2006.01)D01F 9/145(2006.01)(54)发明名称一种中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺(57)摘要本发明提供一种中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺，先将芳碳率C A >40％的富芳烃油掺杂5wt％‑30wt％的生物质并混合均匀后作为原料，再将原料置于高压釜中，在惰性气体保护以及共炭化剂下进行共炭化反应，共炭化剂加入量0.1‑5wt％，反应温度300‑450℃、反应压力0.1‑10MPa、反应时间4‑10h，最终得到流动性良好中间相含量50‑100％软化点为240～280℃的中间相沥青。
将所得中间相沥青依次进行熔融纺丝、预氧化、炭化/石墨化，制得中间相沥青基碳纤维。
本发明方法为富芳烃油与生物质共炭化反应，使用了生物质来制备中间相沥青，扩大了原料来源，解决了生物质资源利用率不高的难题，节约了资源。
权利要求书1页 说明书5页 附图1页CN 112812801 A 2021.05.18C N 112812801A1.一种中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：(1)将平均分子量200～500，芳环数2～6，芳碳率C A >40％的富芳烃油掺杂5wt％‑30wt％的生物质并混合均匀后作为原料；(2)将原料置于高压釜中，在惰性气体保护以及共炭化剂下进行共炭化反应，共炭化剂加入量0.1‑5wt％，反应温度300‑450℃、反应压力0.1‑10MPa、反应时间4‑10h，最终得到流动性良好并具有50‑100％光学各向异性的中间相沥青；(3)将所得中间相沥青依次进行熔融纺丝、预氧化、炭化/石墨化，制得中间相沥青基碳纤维。
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 ； ４０Ｃ ２ ０ ￣ 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 ０ ３ｓ ｃ 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
Ｇ ｏＱ ａ ｇｉ ｕ ｕｎ ｕ
ＬｕＬ ｎ ｉ ａｇ
（ Ｋ ｙＬ ｂｒｔ ｙｏ ａｂｎＭａ ｒ ｌ， ｓ ｔ ｅｏ ｏｌ ｈｍｉｒ， ｈｎｓ ｃｄ ｍ ｆ ｃ ｎｅ ，ａｙａ ０ ００ ） １ ｅ ａ ａ ｒ ｆ ｒｏ ｔ ｉ ｓＩ ｔｕ ｆ ａ Ｃ ｅ ｓ ｙ Ｃ ｉｅｅ ａ ｅ ｙｏ ｉ ｃｓＴ ｉ ｎ ３ ０ １ ｏ ｏ Ｃ ｅ ａ ｎ ｉｔ Ｃ ｔ Ａ Ｓｅ ｕ
（ Ｇａｕ ｔ Ｓｈｏ ｏ ｈｎｓ ｃｄｍ ｆ ｃｅｃｓ ｅ ｉｇ １０ ３ ） ２ ｒｄ ａ ｏｌ ｆ ｉｅｅＡ ａｅ ｙｏ ｉ ｅ，Ｂ ｉｎ ００ ９ ｅｃ Ｃ Ｓ ｎ ｊ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｒａ ｆａ ｒ ｒｐ ｒｄ ｆ ｍ ｓ ｐ ａ ｅｐ ｔｈ ｉ ｔｉｌｓ ｔｅ ｌ ｙ ｈ ａｉｇｔ ｐ ｒｐ ｉ ｓｒ ｃ ｗ ｍｓａｅｐ ｅ ａ ｅ ｒ ＡＲ ｍｅｏ ｈ ｓ ｉ ｎａｓａｎｅｓｓ ｌｍｏｄｂ ｅ ｔ ｏａ ｐ ｏ ｒ ｏ ｏ ｃ ｅ ｎ ａｅｔｍｐ ｒｔｒ ｎ ｅ ｄ ｑ ａｅｐ ｅｓ ｒ ．Ｔ ｅ ｒｗ ｆａ ｒ ｕ ｔｅ ａｂ ｎｚ ｄ ａ ｄ ｇａ ｈｔ ｅ ｔ ｅ ｅａｕ ｅｕ ｄ ｒａ ｅ ｕ ｔ ｒｓｕ ｅ ｈ ａ ｏ ｍｓａｅｆｒｈ ｒｃ ｏ ｉｅ ｎ ｒｐ ｉ ｚｄ，ｔｅｃ ｂ ｎｆａ ｒ ｉ ｈ ａ ｏ ｏ ｍｓ ｒ ｗｉ ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉｎ ｌｒｔ ｕａｅ ｐ ｒ ｔ ｃｕｅ ａｅ ｏ ｔｉｅ ． Ｔ ｅ ｉｆ ｅ ｃ ｆｔｍｐ ｒｔｒ ａｅ ａ ｄ ｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｔ ｔｒｅｄｍｅ ｓｏ ａ ｅｉ ｌｔ ｏｅ ｓｒ ｔｒ ｒ ｂａｎ ｄ ｈ ｎ ｕ ｎ ｅ ｏ ｈ ｃ ｕ ｌ ｅ ｅａｕ ｅ ｒｔ ｎ ｒｓｕｅ ｏ ｐ ｒ ｔ ｃｕ ｅｏ ａｂ ｎｆａ ｉ ｔｄ ｅ ．Ｔ ｅｔｅｍａ ｏ ｄ ｃｉｅｐ ｏ ｅｔ ｓａｓ ｔ ｄｅ ．Ｉ ｉ ｆｕ ｄｔａ ｅｓｒ ｃ ｏｅ ｓｒ ｔｒ ｆｃ ｏ ｍ ｓｕ ｉｄ ｈ ｒ ｌ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒｐ ｒ ｉ ｌ ｏ ｓ ｉｄ ｔ ｓ ｏ ｎ ｔ ｔ — ｕ ｒ ｏ ｓ ｈ ｖ ｙ ｕ ｈ ｔ ｈ ｕ ｔｒ ｆｐ ｒ ａ ｅ ｃ ｎｒｌ ｄ ｂ ｈ ｎ ｉｇ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ａｅａ ｄ ｐ ｅ ｓ ｒ ，ａ ｄ ｂ ｔ ｒｐ ｒ ｔ ｃｕｅ ｉ ｏ ｔｉｅ ｔ ｕｅ ｏ ｅｃ ｎ ｂ ｏ ｔ ｌ ｙ ｃ ａ ｇｎ ｅ ｅａｕｅ ｒｔ ｒｓｕｅ ｎ ｅｔ ｏｅ ｓｒ ｔｒ ｓ ｂａｎ ｄ ａ ｏ ｏｅ ｎ ｅ ｕ ｈ ａｉｇ １Ｃ／ ｎ ， ｔ ｌｖ ｔ ｎ ｏ ｒｓｕ ｅａ ｄ ｔｅ ａ ｅｔｒ ｆｃ ｂ ｎ ｆａ ｂ ｃ ｍｅｓ ｌ Ｔ ｅｓｚ ｆｐ ｒ ｆ ａ－ ｅ ｔ ￣ ｍｉ ｗｉ ｅｅ ａｉ ｆｐ ｅｓ ｒ ｐ ｒ ｅｏ ａ ｏ ｍ ｅ ｏ ｍａ１ ｈ ｉｅｏ ｏｅｏ ｒ ｎ ｈ ｏ ｎ ｈ ｕ ｒ ｏ ． Ｃ
泡沫炭的制备及应用
泡沫炭的制备及应用纪妲;何星【摘要】泡沫炭自出现起就成为炭材料研究中的热点，因具有密度低、耐腐蚀、抗氧化、膨胀系数低、机械性能高、导热系数低等优质性能，使其具有广阔的应用前景。
对于泡沫炭来说，原料、制备过程等均对其结构及性能有着重要影响。
本文以不同前躯体为分类规则，综述了泡沫炭的制备技术，同时概述了泡沫炭在应用方面取得的进展并对目前存在的问题进行总结，以期为泡沫炭将来的应用提供理论参考。
%Carbon foam are the hotspot of carbon material research since it been found, it has wide application prospects for its high-performances such as low density, corrosion resistance, antioxidant, low coefficient of expansion, high mechanical properties and low coefficient of thermal conductivity, etc. For carbon foams, both raw material and preparation could influence its structure and property. Based on different precursors’ classification rule, the preparation methods, the application progress and the existing problems of carbon foam were summarized, hoping to provide theoretical reference for the application of carbon foams.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2016(044)007【总页数】4页(P11-14)【关键词】泡沫炭;制备;性能;应用【作者】纪妲;何星【作者单位】上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093;上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TM242泡沫炭是以富碳物质为前驱体，经过发泡、固化、炭化及石墨化等过程得到的一种由孔泡及孔壁组成的三维轻质功能性炭材料，其密度低、耐腐蚀、抗氧化、膨胀系数低、机械性能高、导热系数低等性能可满足不断发展的科学技术对现代新型材料在新领域应用方面的苛刻要求。
中间相沥青基碳纤维金属基复合材料
《中间相沥青基碳纤维金属基复合材料的研究与应用》一、引言中间相沥青基碳纤维金属基复合材料是一种新型的复合材料，在材料工程领域具有广泛的应用前景。
本文将从多个角度对这一主题进行全面评估，并探讨其研究与应用。
二、中间相沥青基碳纤维金属基复合材料的结构与性能2.1 结构中间相沥青基碳纤维金属基复合材料主要由碳纤维、金属基体和中间相沥青组成。
碳纤维具有高强度、高模量和轻质的特点，金属基体具有良好的导热性和导电性，中间相沥青则起到了粘结剂的作用。
2.2 性能中间相沥青基碳纤维金属基复合材料具有优异的力学性能、导热性能和耐蚀性能。
碳纤维的高强度使得复合材料具有很高的强度和刚度，金属基体的导热性和导电性为复合材料的应用提供了广泛的可能性，中间相沥青的使用使得材料的结合更加牢固。
三、中间相沥青基碳纤维金属基复合材料的制备技术3.1 碳纤维预处理在制备中间相沥青基碳纤维金属基复合材料之前，需要对碳纤维进行表面处理，以增强其与金属基体的结合力。
3.2 中间相沥青的应用选择合适的中间相沥青对于复合材料的性能具有重要意义，不同种类的沥青会对复合材料的性能产生不同的影响。
3.3 金属基体的制备在制备过程中，金属基体的制备工艺也是关键的一步，需要考虑金属的种类、形状和表面处理工艺等因素。
3.4 复合材料的成型将处理过的碳纤维与制备好的金属基体进行成型，形成中间相沥青基碳纤维金属基复合材料。
四、中间相沥青基碳纤维金属基复合材料的应用领域4.1 轻质结构材料由于复合材料具有轻质和高强度的特点，适用于飞机、汽车等领域的轻质结构材料。
4.2 热传导材料由于金属基体的导热性，中间相沥青基碳纤维金属基复合材料适用于热传导材料的制备。
4.3 耐蚀材料碳纤维和金属基体的耐蚀性能使得复合材料适用于化工设备和海洋工程等耐蚀材料的制备。
五、个人观点与总结中间相沥青基碳纤维金属基复合材料作为一种新型的复合材料，在材料工程领域具有重要的应用前景。
复合材料的研究和制备技术将对材料工程领域带来重大影响，同时也为推动材料工程领域的发展做出了重要贡献。
SiO2气凝胶／中间相沥青基泡沫炭复合材料的制备与表征
基 泡 沫炭 以及 Ｓ ｉ Ｏ 气凝胶 ／ 中间相 沥青基 泡沫 炭 复合 材 料 的 结构和 性 能 。结 果表 明 ， 所 制备 的 复 合 材 料 具 有一 定 的力 学性 能 ， 同时其 隔热 性 能优 于单 一 泡沫 炭 的 隔热性 能 ， 有 望成 为一种 新 型 的隔 热材料 。
等特 性 ， 在高 温 隔 热材 料 、 电极 材 料 、 结 构 材 料 等 领 域
都 有着 广 阔 的应用 前 景ｌ ８ 。 。 因此 ， 本 文尝 试 在 中间 相 沥 青 基 泡 沫 炭 泡 孔 中填 充 Ｓ ｉ Ｏ 气凝 胶 ， 将 中 间相 沥 青 基 泡 沫 炭 和 Ｓ ｉ Ｏ 气 凝
１ 引 言
Ｓ ｉ Ｏ 气凝 胶是 一 种 透 明 的纳 米 网络结 构 材 料 口 ］ 。
其 特 有 的 网络结 构 使 其 具 有 高 的 孔 隙 率 和 比表 面 积 ， 因此 热 导率非 常 低 ， 有望 作 为一 种 新 型 隔热 材 料 来 使
用 ］ 。但是 ， Ｓ ｉ Ｏ： 气 凝胶 的力 学 性 能较 差 ， 大 大制 约
史 亚春 等 ： Ｓ ｉ Ｏ 气 凝 胶 ／ 中间 相 沥 青 基 泡 沫 炭 复 合 材 料 的制 备 与表 征
文章 编 号 ： １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） ２ ０ — ３ ０ ４ ９ — ０ ４
Ｓ ｉ Ｏ２ 气 凝胶／ 中 间相 沥 青 基 泡 沫炭 复 合 材 料 的 制 备 与 表 征
泡沫 炭 复 合 隔热 材料 。利 用 Ｘ Ｒ Ｄ、 Ｓ Ｅ Ｍ、 热 导 仪 和 万
２ 实 验
２ ． １ 实 验 原 料
中温 煤 沥 青 ： 软 化点 ７ ８ 。 Ｃ， 喹 啉 不 溶 物 含 量 ６ ． ５ ６ ， 武 钢焦 化厂 ； 乙醇 ： 分析纯， 纯度 ≥ ９ ９ ． ７ ， 天
中间相沥青基炭泡沫(论文)
（李凯， 栾志强
供稿）
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!"#$% &’(")*+,(#)’ () -./ 012!3-的机械性能包括： 压缩强度： %) AB# 0 !" AB# 压缩模量： ))" AB# 抗张强度： ! AB# 0 - AB# 抗张模量： *’( AB# 0 % #-( AB# 剪切强度： ! AB# 通过控制制备工艺， 这种中间相沥青基炭泡沫 既能制备成低热导率 （ % <（ ・=） ） 的热绝缘材料， / " 也能制备成高热导率 （%)" <（ ・=） ） 导热材料； 它 / "
是一种很好的吸波材料。电导率较高时， 该材料是 一种很好的电磁屏蔽材料。 经过 “煅烧” 的中间相沥青基炭泡沫能够抑制点 燃， 可以直接暴露在 % *)" 3 的乙炔火焰下。事实 上， 在惰性或空气稀薄条件下， 可以耐直到 # """ 3 以上的高温， 然后升华。在有氧气出现的境况下， 如
收稿日期： !""#$%!$!!； 修回日期： !""&$"!$%’
表!
潜在市场
中间相沥青基炭泡沫的潜在应用背景
宇航和国防 商业 复合材料加工 研磨工具 电池和燃料电池电极 刹车片 汽车抗挤压环型仓室 发动机部件 催化转化器 热交换器 吸收能量的抗冲击屏障材料 结构隔离板材 高温绝缘 防火门和防火体 外科用 “骨头” 材料 牙齿的灌入材料
碳泡沫的结构及其性能
碳泡沫的发展已经有几十年，由于其低密度、 高热导率的特点，被广泛应用于多种领域。如高温 热容材料、 多孔电极、 催化剂载体、 过滤器、 支架材 料。在国外， 对碳泡沫的研究已经很多， 主要包括其 微观结构、 机械性能及热性能的研究 ； 国内在这方
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用沥青和煤替代其它前驱体材料制备碳泡沫。美国 空军材料实验室的研究人员开发的一种制备工艺， 是用中间相沥青作前驱体，利用发泡技术制得泡 沫， 然后将泡沫氧化固定， 再经炭化、 石墨化得到碳 泡沫成品。这种碳泡沫首先用于替代昂贵的三维编 织纤维预制品 。 $(2’ 34)5464% 大学的研究小组开 发了一种工艺，用煤作前驱体制备高强度泡沫，这
!
碳泡沫的结构特点
由于原料的不同，碳泡沫的结构有一定的差
异。主要有下面两种结构：五边形十二面体结构和 球形气孔状结构。在查阅的英文文献中，一般称五 边形十二面体结构的碳泡沫为网状玻璃质碳泡沫 ! 6" % （1+*2,9.:*+3 F2*1+J9K ,:1LJC MJ:B） 。这种碳泡沫缺 乏石墨结构，具有很大的开孔和柱状韧带。柱状韧 （图 6 N : O ） 带交联组成大量五边形的十二面体 。 中间相沥青基石墨泡沫大多形成开孔球形结 构，这种结构可以看作由石墨韧带连接的交联网状 （图 6 N L O ） 结构 。 这些石墨泡沫韧带形成规则排列的 结构， 在适当条件下， 该结构会提高热传导性。开孔
中间相沥青基炭泡沫体的制备、结构及性能
２ ０ ℃热处理制备出炭化和石墨化炭泡沫体 ； ７０℃炭化 处理所得的炭泡 沫体 作为芯 材制成夹 芯复合材 料。研 ０ ８ 以 ０
究 了原 料 性 能 、 泡 以 及 热 处 理 工 艺 参 数 对 炭 泡 沫 微 观 结 构 和 力 学 性 能 的 影 响 ， 察 了炭 泡 沫 体 夹 芯 复 合 材 料 的 发 考
２ 实 验部 分 ．
２ １ 原料 ．
采用 日本 Ｍｉ ｕ ｉ ｉ 司 的 Ａ ｔ ｂｓ 公 ｓ ｂ Ｒ沥 青为原 料 ， 其
中 间 相 沥 青 基 炭 泡 沫 体 的 制 备 、 构 及 性 能 结
沈 曾 民 ， 戈 敏 ， 迟 伟 东 ， 刘 辉
（ 北京化工大学 炭纤维 及复合 材料研究 所 ， 北京 １０ ２ ） ００ ９
摘
要 ： 以合成中间相萘沥青为原料 ， 采用加压发泡法制备孑 径均匀的初生炭泡沫体 ， ７０℃ ～１０℃和 ２ ０ ℃ ～ Ｌ 经 １ ３ ００ ３０
软化点 为 ： ８ ± ２５℃ ５℃ （ ｔ ｂｓｉ 司测定值 ， Ｍｉｕ ｉ 公 ｓ ｂ 按笔
者 自行研 制 的针 人法测定 ， 软化点 为 ２６ ） 中间 其 ５℃ ，
相 含量 １ ０％ 。 ０ Байду номын сангаас
２ ２ 制 备工 艺 ．
２ ２ １ 炭泡 沫体 的制 备工 艺流 程如 图 ｌ所示 。 ．．
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Ｒｐｔ ｌ Ａ ｉ ｈ ｌ！！ ！ ｃ
一
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中间相沥青基自烧结炭石墨材料制备及其炭化机理的研究
中间相沥青基自烧结炭石墨材料制备及其炭化机理的研究《中间相沥青基自烧结炭石墨材料制备及其炭化机理的研究》旨在研究中间相沥青基自烧结炭石墨材料制备及其炭化机理。
本研究首先从理论上考察了中间相沥青基自烧结炭石墨材料的制备程序和条件，并考察了炭素微结构和炭化机理，最后介绍了应用研究及有关技术发展。
研究发现，以中间相沥青基原料制备的自烧结炭石墨材料在经过一定的热处理后，能够形成比较稳定的炭层，其比表面积可达到3200m2/g以上；而且，热处理过程中碳的活化机理十分复杂，其中包括受热导致的碳的键态的改变和碳热反应的变化。
结果表明，以中间相沥青基自烧结炭石墨材料可以满足应用要求。
关键词：中间相沥青基；自烧结；炭素；炭化机理1.言随着新材料的开发和应用，自烧结炭石墨材料因为它具有高密度、高强度、高导热性、抗腐蚀性、抗氧化性等优点和特性，已经成为广泛应用的涂料固化剂、诸多化工原料、煤焦油水解催化剂及氧化铝、铁锰硅钙等无机结构材料。
自烧结炭石墨材料具有丰富的特殊性和多样性，是当前国际上重要的无机结构材料和电子绝缘材料。
中间相沥青基自烧结炭石墨材料具有低比表面积和结构不稳定，从而无法获得较高的性能和使用价值，因此，研究中间相沥青基自烧结炭石墨材料的制备及其炭化机理，可以更好地发挥材料的性能和稳定性。
因此，我们对中间相沥青基自烧结炭石墨材料的制备及其炭化机理进行了研究。
2.验设计实验采用传统湿法配制的中间相沥青基粉末（比表面积≈200m2/g）作为原料，采用热抛丸法制备中间相沥青基自烧结炭石墨材料。
标准烘箱是一种容量较大的自动烘箱，温度可以达到1120℃。
烘箱内装有温度传感器和温度控制系统，能够控制烘箱内的温度。
实验中，研究者采取控制热处理温度、时间以及热处理环境，控制热处理过程，以此来控制材料的碳化机理。
X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）技术分析材料的结构特征和微观结构，考察炭化机理。
3.究结果3.1料制备首先，将中间相沥青基粉末平均混合放入陶瓷抛丸烘箱，在1120℃时持续30min，然后将其从烘箱内转移到空气中，经过一定的冷却后，最终形成自烧结炭石墨材料。
中间相沥青基泡沫炭的制备与结构表征
第20卷第6期无机材料学报V01．20，N o．6 2005年11月J o u rn a l o f Ino rg an ic Materials NOV．，2005文章编号：1000—324X(2005)06—1438—07中间相沥青基泡沫炭的制备与结构表征李同起，王成扬(天津大学化工学院绿色合成与转化教育部重点实验室，天津300072)摘要：将石油系中间相沥青利用限定尺寸法发泡后获得了泡沫炭，泡沫炭再经氧化、炭化和石墨化处理获得了具有良好孔结构的泡沫炭．利用SEM和XRD分析了泡沫炭的形态和结构．发现调整发泡模具中的自由空间可以控制泡沫炭的孔径；炭化和石墨化后泡沫炭的孔径减小，孔壁片层取向接近石墨；泡沫炭的孔壁由平直孔壁和“Y”形孔壁结构成，前者内部片层取向优于后者．大孔径泡沫炭的孔壁具有更紧密的内部分子排列，但其微晶尺寸较小．关键词：中间相沥青；泡沫炭；多孔材料；易石墨化炭中图分类号：TQ l27文献标识码：A1引言中间沥青基泡沫炭(Mesophase Pitc h—bas ed Carbon Foam，MPCF)是从中间相沥青中经发泡制得的一种新型多孔炭材料，由于这种炭材料可以同时具有低密度、高强度、高导热、高导电、耐火、抗冲击、吸波、降噪、低热膨胀系数、耐化学腐蚀等优异性能[1~引，被应用在诸如航空航天器和卫星的热转移系统、火箭的抗冲击和减噪发射平台、化工厂的大型热交换器和计算机器件的小型排热器件、快速运行机动工具的端部防护层以及飞机、轮船等的耐火门窗等领域[7，8|，因此中间相沥青基泡沫炭具有广阔的应用前景．MPCF的制备一般包括发泡和后处理两个过程，其中发泡过程是控制其孔径大小和形状的重要步骤，也是最终决定泡沫炭产品体积密度、强度、导电／导热等性能的关键步骤．以前文献[3]报道的发泡方法为加压法，即在一定的温度和压力下使中间相沥青原料熔融，然后通过调整压力的方法使沥青发泡产生多孔结构．而后处理过程是为进一步“固化”泡沫炭的孔结构和提高泡沫的强度，同时赋予泡沫炭一定的导热／导电性能而进行的，主要包括氧化、炭化和石墨化过程．本文利用石油中间相沥青为原料，以一种新型的限定尺寸方法制备MPCF，利用扫描电子显微镜(SEM)研究泡沫炭的形态和结构特征，并用x射线衍射方法(XRD)分析泡沫炭的结构，以期获得孔径可调、结构良好的炭化和石墨化泡沫炭产品．2实验部分2．1中间相沥青原料收稿日期：2004—11-03，收到修改稿日期：200412—16基金项目：国家自然科学基金(50172034) 作者简介：李同起(1977一)，6期李同起，王成扬：中间相沥青基泡沫炭的制备与结构表征1439采用一种软化点为305。
中间相沥青基自烧结炭石墨材料制备及其炭化机理的研究
中间相沥青基自烧结炭石墨材料制备及其炭化机理的研究《中间相沥青基自烧结炭石墨材料制备及其炭化机理的研究》为一项有关中间相沥青基自烧结炭石墨材料制备及其炭化机理的研究，旨在探究中间相沥青基自烧结炭石墨材料的制备工艺及其炭化机理。
概述无机炭素材料是一种重要的工程材料，可广泛应用于医药、电子、航空航天、冶金、电力、石油化工等领域。
由于具有卓越的性能，其炭化反应非常重要。
中间相沥青基自烧结炭石墨材料是一种复合炭材料，由中间相沥青和炭素组成，具有高炭化活性和烧结性能，是一种有效的高性能炭材料。
本研究重点研究的是中间相沥青基自烧结炭石墨材料的制备工艺及其炭化机理。
在制备中，采用一步法从中间相沥青中提取沥青结构，并采用自烧结工艺制备出中间相沥青基炭素材料。
在炭化机理方面，本研究表明，随着烧结温度的升高，炭素材料中的有机残余物急速烧蚀，烧蚀速度和温度成正比，最终形成了一种具有稳定自烧结结构的中间相沥青基炭素材料，并发生了炭化反应，且具有较高的炭化值。
材料本研究采用的是中间相沥青作为原料，该原料经过细磨、分散和凝固后可以得到中间相沥青粉末。
方法本研究的试验采用的是一步法，即先将原料中的中间相沥青粉末经过重排，然后在高温下挤压出中间相沥青基炭素材料，最终在不同温度下进行烧结，以形成具有稳定自烧结结构的中间相沥青基炭素材料，并发生炭化反应。
结果本研究显示，中间相沥青基自烧结炭石墨材料能在低温条件下烧蚀有机残余物，最终达到稳定自烧结结构，炭化率可达90%以上。
结论本研究研发的中间相沥青基自烧结炭石墨材料，可有效提高材料的烧结性能和炭化活性，具有较高的炭化值，且可以在低温条件下烧蚀有机残余物，形成稳定的自烧结结构，有望作为一种新型高性能炭材料在工业界得到广泛应用。
本研究为中间相沥青基自烧结炭石墨材料的制备及其炭化机理研究提供了有益的理论和实验依据，也为其他类似材料的研究提供了参考。
总结本研究证实，通过研发中间相沥青基自烧结炭石墨材料，可以有效提高材料的烧结性能和炭化活性，并有效地烧蚀有机残余物，形成稳定的自烧结结构，为工业应用提供了新的解决方案。
中间相沥青的制备方法研究进展
中间相沥青的制备方法研究进展
中间相沥青是一种可再生的碳材料，它可通过溶剂抽提或热解煤焦油等方式制备得到。
近年来，中间相沥青的制备方法研究取得了一些进展，下面将对其主要研究方向进行综
述。
一、煤焦油热解法制备中间相沥青
煤焦油是煤加工和焦化过程中产生的副产物，可以作为原料用于制备中间相沥青。
研
究表明，煤焦油中的渣油相含有许多具有中间相结构的组分，通过适当的热解条件可以制
备出中间相沥青。
研究人员发现，在高温下，煤焦油中的渣油相会发生结构重组，产生类
似中间相的结构。
研究还发现，在添加一些助剂的情况下，可以进一步促进中间相沥青的
形成。
二、溶剂抽提法制备中间相沥青
溶剂抽提法是一种将天然沥青中的有机相与无机相分离的方法，可用于制备中间相沥青。
研究人员采用具有特定极性的溶剂，如苯、甲苯、二氯甲烷等，与天然沥青进行混合，并通过适当的操作条件，如温度、压力和溶剂油比，将有机相和无机相分离。
有机相即为
中间相沥青。
研究还发现，通过选择适当的溶剂和操作条件，可以使溶剂抽提法制备的中
间相沥青具有较高的中间相结构。
三、其他方法制备中间相沥青
除了煤焦油热解法和溶剂抽提法，还有其他一些方法可用于制备中间相沥青。
可利用
一些活性剂对沥青进行改性，使其具有中间相结构。
研究人员还尝试了一些新的制备方法，如利用微波辐射、超声波辅助和化学反应等，以提高中间相沥青的制备效率和质量。
中间相沥青基碳纤维
中间相沥青基碳纤维
中间相沥青基碳纤维是一种新型的高性能材料，具有很多优异的特性。
下面将从以下几个方面介绍它的特点：1. 中间相沥青基中间相沥
青基是指在制备过程中，使用了含有大量芳香族结构和较少脂肪族结
构的石油渣或者天然焦作为原料，并通过加热、溶解、抽滤等工艺步
骤得到的一种粘稠液体。
这种物质具有非常好的黏着性和可塑性，在
制备碳纤维时可以起到很好的模板作用。
2. 碳纤维碳纤维是由聚丙烯
腈（PAN）等高分子材料经预氧化、碳化等工艺处理后得到的一种无
机非金属材料。
它具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，被广泛应用于
航空航天、汽车制造等领域。
3. 特点中间相沥青基碳纤维不仅保留了
传统碳纤维轻质高强度等优点，还具有以下特殊功能：（1）防电磁干扰：由于其导电率低，可以有效地避免电磁波对设备产生影响；（2）
吸附污染物：由于其表面积大且孔隙率高，可以吸附空气中的污染物；（3）防火阻燃：由于其本身就是无机材料，在遇火情况下不会释放出
毒气或易爆物质；（4）抗辐射：由于其密度小且成分单一，在核反应
堆内部使用时能够有效地减少辐射损伤。
4. 应用前景目前，中间相沥
青基碳纤维已经开始在国内外航空航天、汽车制造以及建筑领域得到
广泛应用。
未来随着科技进步和市场需求增长，该类材料在更多领域
都将发挥重要作用。
中间相沥青基碳纤维预氧化及炭化过程中结构转变规律的研究的开题报告
中间相沥青基碳纤维预氧化及炭化过程中结构转变
规律的研究的开题报告
一、研究背景和意义
碳纤维是一种重要的高性能材料。
其中，中间相沥青基碳纤维是一类具有良好综合性能的碳纤维，其在航空、航天和高速列车等领域得到广泛应用。
中间相沥青基碳纤维的制备过程中，预氧化及炭化过程中的结构转变是影响其性能的关键因素。
因此，对中间相沥青基碳纤维预氧化及炭化过程中结构转变规律的探究具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容和方法
本研究将以中间相沥青为原料，通过控制预氧化及炭化温度进行一系列实验，分别得到不同温度下的预氧化及炭化产物。
通过高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等技术手段，探究不同温度下中间相沥青基碳纤维的结构特征及其转变规律，并与已有研究进行比较和分析。
三、预期目标和可行性分析
本研究旨在探究中间相沥青基碳纤维预氧化及炭化过程中不同温度下的结构转变规律，并通过研究发现规律，指导制备中间相沥青基碳纤维的工艺调制和优化。
本研究有充分的可行性，研究方法和技术手段已经成熟并得到广泛应用。
同时，本研究的研究内容也具有一定的创新性和前瞻性，对提高中间相沥青基碳纤维的质量并推动该领域的发展有重要意义。
四、研究进度
本研究已经完成了中间相沥青基碳纤维制备和预氧化工艺调制，将在之后的研究中逐步研究其炭化过程中结构转变规律。
预计在2年内完
成全部实验工作并取得初步成果，最终在国际知名材料科学期刊上发表相关学术论文。
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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碳泡沫
炭泡Байду номын сангаас的结构与性能
炭泡沫的应用
• 树脂基炭泡沫具有多孔、绝热、绝缘和强度较低 的特性,因此主要作为功能材料而广泛应用于绝热 隔热、过滤和催化剂载体等领域。
• 中间相沥青基炭泡沫不仅可以用作功能材料, 也 可以用作结构材料, 因而在宇航、国防和商业等 潜在市场具有异常广阔的应用前景。
展望
• 目前的研究主要集中在通过控制工艺改变中间相 沥青基炭泡沫的性能, 尤其是高热导率、高强度 方面。
炭泡沫基本上是以树脂为前驱体
用沥青和煤作为前驱体 替代树脂制备炭泡沫
炭泡沫的制备方法
• 2.1 发泡剂发泡法
• 2.2 模板法 • 2.3 中间相沥青自发泡发法 • 2.4 限空间法
• 2.5 炭泡沫的改性
2.1 发泡剂发泡法
发泡剂发泡法是制备树脂基炭泡沫的常用方法。 其工艺过程图1：
树脂 压力、温 度 热塑性树脂 炭泡沫 热固性树脂 炭化 石墨化
20世纪90年代以前炭泡沫基本上是以树脂为前驱体20世纪90年代至今用沥青和煤作为前驱体替代树脂制备炭泡沫炭泡沫的制备方法21发泡剂发泡法22模板法23中间相沥青自发泡发法24限空间法25炭泡沫的改性21发泡剂发泡法发泡剂发泡法是制备树脂基炭泡沫的常用方法
炭泡沫的制备、性能及应用
目录
• 炭泡沫的研究历史
炭泡沫的结构与性能
树脂基炭泡沫具有很大的 开孔和棱柱, 棱柱相互交 联构成五边形的十二面体, 其炭形态为难石墨化的玻 璃态炭, 因此具有低的密 度, 较低的机械强度和优 异的绝热性能。
图2 是树脂基炭泡沫的典型微观构。
炭泡沫的结构与性能
• 中间相沥青基炭泡 沫中则存在大量分 布均匀的球形开孔 和少量的球形闭孔, 气壁上有一定数量 的微裂纹( M) 和与 其它气孔相交联而 形成的二次孔(P2) , 气孔之间由石墨韧 带( L) 相连。
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收稿日期:2006207225; 修回日期:2006208228 作者简介:沈曾民(19332),女,江苏南京人,教授,长期从事新型炭材料方面的研究。
Tel:+86210264434914,64434653;Fax:+86210264434653;E 2m ail:zengm she @public .bta .nct .cn文章编号: 100728827(2006)0320193209中间相沥青基炭泡沫体的制备、结构及性能沈曾民, 戈 敏, 迟伟东, 刘 辉(北京化工大学炭纤维及复合材料研究所,北京 100029)摘 要: 以合成中间相萘沥青为原料,采用加压发泡法制备孔径均匀的初生炭泡沫体,经700℃～1000℃和2300℃～2800℃热处理制备出炭化和石墨化炭泡沫体;以700℃炭化处理所得的炭泡沫体作为芯材制成夹芯复合材料。
研究了原料性能、发泡以及热处理工艺参数对炭泡沫微观结构和力学性能的影响,考察了炭泡沫体夹芯复合材料的微波吸收性能。
结果表明:发泡过程中保持均匀的温度场是制备孔径均匀的炭泡沫体的关键因素,压力是影响孔结构的主要因素。
炭泡沫体的微晶结构、力学性能以及微波吸收性能沿xy 和xz 面方向(分别表示垂直和平行于重力方向)具有各向异性。
关键词: 中间相沥青;炭泡沫体;微观结构;力学性能;微波吸收中图分类号: TQ 127.1+1 文献标识码: A1. 前言 炭泡沫(C arbon foam ,C F )体是一种具有大尺寸孔径的网状功能型炭材料。
20世纪60年代后期W alter Ford 首先发现由热固性聚合物泡沫高温分解可形成网状玻璃炭泡沫体[1]。
20世纪90年代以来出现了新一代炭泡沫体,研究集中于由沥青和煤作为前驱体制备炭泡沫材料[227]。
以美国橡树岭实验室K lett 为代表的研究集体报道了以中间相沥青为原料制备炭泡沫体的技术,制得的石墨化炭泡沫体为开孔均匀分布的立体网状结构,整体热传导率达180W /m ・K [8211]。
这种通孔的泡沫材料,除了炭材料的一般性质之外,还具有导热率高、气体渗透率高、耐热应力和热冲击性好的特点,可用于热交换器、电子设备、刹车片等[12216]。
杨杰、沈曾民等[17]发现,它的开孔立体网状结构使得泡孔具有类似于微波暗室的作用,因而可用作微波吸收材料。
本文以合成中间相萘沥青(A R 沥青)为原料,详细研究了影响炭泡沫体制备的工艺参数,侧重考察了不同压力下制备的炭泡沫体沿xy 和xz 面方向(分别表示垂直和平行于重力方向)的微观结构、力学及微波吸收性能的变化与工艺参数的相关性。
2. 实验部分2.1 原料 采用日本M itsubish i 公司的A R 沥青为原料,其软化点为:285℃±5℃(M itsubishi 公司测定值,按笔者自行研制的针入法测定,其软化点为256℃),中间相含量100%。
2.2 制备工艺2.2.1 炭泡沫体的制备工艺流程如图1所示。
图1 中间相沥青基炭泡沫体的制备流程示意图Fig .1 Schem atic diagramof p reparation p rocess of m esophasep itch 2based carbon foam s 发泡温度500℃、发泡压力3M Pa 时所得炭泡沫体经2800℃石墨化处理,表示为CF 5002280023,其余类推。
2.2.2 炭泡沫体夹芯复合材料的制备 将3M Pa 压力下制备的炭泡沫体在700℃恒温处理1h,制得炭化炭泡沫体,然后分别沿xy 和xz 面方向将该炭化泡沫体切割成180mm ×180mm ×第21卷 第3期2006年9月新 型 炭 材 料NE W CARBON MATER I A LS Vol .21 No .3Sep.200610mm 的炭泡沫板;采用180mm ×180mm ×1mm 的玻璃布/环氧层压板为盖板,同尺寸的炭布/环氧层压板为底板,复合成180mm ×180mm ×12mm 的炭泡沫板夹芯复合材料。
2.3 测试方法2.3.1 黏温曲线 采用控制应力流变仪(德国H aake 公司R s 300型)测试A R 沥青的黏2温曲线。
2.3.2 热失重分析 采用德国N ETZSCH 公司生产的STA 449C 型热失重分析仪考察A R 沥青在氩气气氛下由室温至1000℃的热失重行为。
2.3.3 中间相沥青的显微结构变化 采用L eitz 公司的AR I STOM ET 型热台偏光显微镜观察AR 沥青在热动态过程中显微结构的变化。
2.3.4 SE M 微观形貌分析 利用英国剑桥公司的STER EO SCAN 250M K 3型扫描电子显微镜研究炭泡沫体的微观形貌。
2.3.5 密度及真气孔率测试 通过测量炭泡沫体样品的平均长a 、宽b 、高c,称量样品的质量m ,计算样品的体积密度ρv =m /abc 。
将泡沫体研磨至粒度小于0.2mm ,然后采用比重瓶法(GB /T 21721996)测试其真密度ρ。
由C =(1-ρv /ρ)×100%计算真气孔率。
2.3.6 XRD 结构分析 采用日本理学公司(R igaku )D /m ax 2500VB 2+/PC 型X 射线衍射仪测试炭泡沫体的微晶结构,扫描范围为3°～90°。
其中实验条件为:C uK α(λ=0.154056nm )辐射,电压40kV ,电流200mA 。
2.3.7 力学性能测试 将炭泡沫体切割成20mm ×20mm ×20mm 的试样,采用英国Instron 1185万能材料试验机,以1.5mm /m in 的速度压缩试样,测得其压缩强度σ=P /A (P:破坏载荷,N;A:试样受压截面积,mm 2)及表观压缩模量E =σ/ε(ε:压应变)。
2.3.8微波吸收性能测试 采用H P 8510B 微波网络分析仪测试炭泡沫体夹芯复合材料在2GH z ～18GH z 范围内的微波吸收性能。
3. 结果与讨论3.1 原料基本性能 为了选择适宜的发泡温度,首先利用热台偏光显微镜观察A R 沥青在不同温度下的显微结构,如图2a ～2d 所示。
实验中发现,在300℃时物料已熔融,呈现红黄相间的短条状结构;当温度继续升高至360℃时,中间相沥青融并,形成中间相大条带状结构;当温度升高至380℃时,中间相沥青流动加速,呈流线状;当温度升至410℃时,可观察到物料中产生较多的气泡,气泡逸出使得中间相沥青产生沸腾。
这一现象表明,A R 沥青在360℃～380℃时黏度较低,流动较快;温度大于410℃时,A R 沥青分解剧烈,趋近其发泡温度。
从图3所示A R 沥青的黏2温曲线清晰看出,在300℃～330℃时,随温度升高黏度急剧下降;在330℃～380℃时,黏度随温度呈平缓的下降趋势,约小于100Pa ・s 。
表明A R 沥青在330℃～380℃内黏度较小,随温度上升变化不大。
从图4所示A R 沥青的热失重曲线进一步得知,0℃～400℃时,样品失重较少;400℃～550℃时,样品迅速失重,这主要是由于A R 沥青在熔融缩合过程中释放低分子量化合物以及化合物侧链断裂而引起的。
在550℃之后,物料失重变缓。
综合上述研究结果可明显看出,AR 沥青在330℃～380℃时流动较快,400℃～550℃时迅速失重,物料的发泡温度选择在400℃～550℃范围内为最佳。
3.2 发泡工艺参数 为了制备泡孔均匀的炭泡沫体,在发泡温度范围确定后,还应深入探索恒温温度和时间、发泡温度、升温速度和压力等系列影响因素。
为此,进行了如下研究。
3.2.1 恒温温度和时间 以2℃/m in 的速度直接升温至500℃,在压力约为3M Pa 下制备初生炭泡沫体,其沿xz 面方向的形貌如图5a 所示,由图中可观察到所制备的炭泡沫体中含有大的缺陷孔洞。
通过多次实验发现,沥青发泡过程中分布均匀的温度场是制备泡孔均匀、外形规整的初生炭泡沫体的关键因素。
为验证这一推想,笔者选择在沥青黏度较低、未剧烈热分解前恒温一段时间,致使液态沥青达到较均匀的温度场,以利获得孔径均匀、外形规整的初生炭泡沫体。
亦即,拟定压力为3M Pa 的条件下,使物料在330℃和370℃分别恒温1h,再以2℃/m in 的升温速度升至500℃,恒温1h 制备初生炭泡沫体。
试验发现,330℃恒温1h 时所制得的泡沫体孔径均匀,没有宏观缺陷孔出现,其沿xz 面方向的形貌如图5b 所示;该条件下制备的炭泡沫体孔形呈椭圆形,孔径为・491・ 新 型 炭 材 料第21卷图2 AR沥青的偏光显微照片(升温速率3℃/m in)Fig.2Hot2stage polarized light m icrographs of AR p itch(heating rate:3℃/m in)at(a)300℃,(b)360℃,(c)380℃and(d)410℃图3 A R沥青黏2温曲线Fig.3 V iscosity2tem perature curve of AR p itch 图4 AR沥青热重曲线Fig.4 TG curve of AR p itch500μm～700μm,其长/短轴比值约为1.5:1,如图5c所示。
370℃恒温1h时制得的炭泡沫体的微观形貌(图5d),类似于330℃下恒温1h时所制得的形貌,这应归功于在330℃及370℃下恒温1h致使液态沥青在发泡过程中具有更为均匀的温度场,故可获得孔径较为均匀的初生炭泡沫体。
3.2.2 升温速度 在压力3M Pa下,以2℃/m in的速度升温至330℃恒温1h,然后分别以0.5℃/m in、2℃/m in的速度升温至500℃,恒温1h制备初生炭泡沫体。
实验发现,在上述两种升温速度下制备的炭泡沫体的泡孔之间相互贯通形成网络,韧带(ligam ent)较窄,但孔形不同,分别如图6a及图6b所示。
前者的泡孔接近圆形,泡壁上生成较多小孔;后者的泡孔为椭圆形,泡壁上生成较大的孔。
沿xz面方向切割前者时,常发现炭泡沫体中出现类似于上图5a所示的大・591・第3期沈曾民等:中间相沥青基炭泡沫体的制备、结构及性能 图5不同恒温温度及时间下所得初生炭泡沫体的宏观及微观形貌Fig .5M acroscop ic and m icroscop ic i m ages of as 2grow n carbon foam s p roduced at different soaking tem peratures and ti m es .图6 不同升温速率下制备的初生炭泡沫体的SE M 照片Fig .6 SE M i m ages of as 2grow n carbon foam s p roduced at heating rates of (a )0.5℃/m in and (b )2℃/m in缺陷孔;而以2℃/m in 升温时制得的炭泡沫体中则很少观察到缺陷孔。