硼在碳碳复合材料中的状态及其催化石墨化作用
硼掺杂石墨相氮化碳光催化的研究目的
一、研究背景相氮化碳（g-C3N4）是一种新型的可见光响应型光催化剂，具有良好的化学稳定性和光催化活性。
然而，g-C3N4的光催化活性受限于其窄的光吸收范围和快速的电子-空穴复合。
为了提高g-C3N4的光催化性能，研究者们提出了多种改性方法，其中硼掺杂是一种有效的手段。
硼掺杂可以引入新的能级，拓宽光响应范围，改善载流子的分离和传输，从而提高光催化性能。
本研究的目的是通过硼掺杂来改善g-C3N4的光催化性能，提高其光催化活性。
二、研究意义1. 为环境保护提供新的解决方案：光催化技术可以利用可见光将有害气体和污染物转化为无害的物质，对改善大气污染和水污染具有重要意义。
2. 探索新型光催化剂的应用：硼掺杂石墨相氮化碳作为一种新型改性光催化剂，研究其光催化性能可以为光催化材料的设计和应用提供新思路。
3. 深入理解光催化反应机理：通过研究硼掺杂对光催化活性的影响，有助于深入理解光催化反应机理，并为进一步改进光催化剂性能提供理论依据。
三、研究内容和方法本研究将采用硼掺杂的方法制备硼掺杂石墨相氮化碳（B-g-C3N4）光催化剂，并对其光催化性能进行系统研究。
具体研究内容和方法包括：1. 合成和表征：采用高温固相法制备B-g-C3N4，并利用X射线衍射、透射电镜、紫外-可见漫反射光谱等手段对材料进行表征，确定其结构和光学性质。
2. 光催化性能测试：利用可见光光解苯酚和亚甲基蓝这两种模型污染物来评估B-g-C3N4的光催化活性，通过检测反应体系中的降解效率和产物的形成情况来评价其光催化性能。
3. 光催化机理研究：通过光电化学技术和时间分辨荧光光谱等手段，探讨硼掺杂对载流子分离和传输过程的影响，揭示硼掺杂机制和光催化反应机理。
四、研究创新点1. 利用硼掺杂提高光催化活性：通过引入硼元素，拓宽g-C3N4的光响应范围，增强光生电子-空穴对的分离和传输，从而提高其光催化活性。
2. 细致探讨光催化机理：通过表征光催化剂的结构和性质，揭示硼掺杂对光催化反应过程的影响，深入理解硼掺杂机制和光催化机理。
硼原子掺杂石墨负极
硼原子掺杂石墨负极硼原子掺杂石墨负极是一种新型的电池材料，具有很高的潜力和广泛的应用前景。
本文将从硼原子掺杂的原理、石墨负极的特性以及硼原子掺杂石墨负极在电池领域的应用等方面进行探讨。
我们来了解一下硼原子掺杂的原理。
硼原子是一种五价元素，其具有特殊的电子结构，能够有效地改变石墨的导电性能。
通过将硼原子掺杂到石墨中，可以引入额外的电子或空穴，从而改变石墨的电子结构，提高其导电性能和储能能力。
我们来了解一下石墨负极的特性。
石墨是一种具有层状结构的材料，其中的石墨层之间存在着弱的范德华力，这使得石墨负极具有较高的层间间隙，能够嵌入和释放锂离子。
石墨负极具有较高的比容量和较低的成本，是目前最常用的负极材料之一。
然后，我们来探讨一下硼原子掺杂石墨负极在电池领域的应用。
硼原子掺杂可以显著改善石墨的导电性能和储能能力。
研究表明，硼原子掺杂石墨负极的比容量可以达到400mAh/g以上，较传统的石墨负极有很大提高。
此外，硼原子掺杂还能够提高石墨负极的循环稳定性和倍率性能，延长电池的使用寿命和提高充放电效率。
硼原子掺杂石墨负极在锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池等领域都具有广泛的应用前景。
在锂离子电池中，硼原子掺杂石墨负极可以大大提高电池的比能量和循环寿命，为电动汽车和可再生能源储存等领域提供更高性能的电池解决方案。
在钠离子电池中，硼原子掺杂石墨负极可以有效提高电池的循环稳定性和倍率性能，为大规模储能和电网调度提供可靠的能源支撑。
在锂硫电池中，硼原子掺杂石墨负极可以抑制锂枝晶生长和多硫化物的溶解，提高电池的循环寿命和能量密度，为电动车辆和航空航天等领域提供更高性能的电池解决方案。
总结起来，硼原子掺杂石墨负极作为一种新型的电池材料，具有很高的潜力和广泛的应用前景。
通过硼原子的掺杂，可以显著改善石墨负极的导电性能和储能能力，提高电池的性能和循环寿命。
硼原子掺杂石墨负极在锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池等领域都具有重要的应用价值。
碳碳复合材料的制备及研究进展
炭/ 炭复合材料的制备及研究进展摘要：综合国内外各种文献资料，总结了炭炭复合材料的用途、制备工艺，简要介绍了几种主要的致密化方法，并对炭炭复合材料的抗氧化研究、石墨化研究做了初步的介绍，最后提出了炭炭复合材料今后发展的方向.关键词：炭炭复合材料，致密化，化学气相沉积，抗氧化，石墨化.1 引言炭/ 炭复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。
它和其它高性能复合材料相同, 是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构, 不同之处是增强相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成[1-2]。
炭/ 炭复合材料具有低密度、高强度、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2 000 C 以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性（组织成分及力学性能上均相容）、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能[1-3], 使炭/ 炭复合材料在众多领域有着广泛用途。
在发达国家，炭/ 炭复合材料已被成功用于航天飞机的机翼前缘、鼻锥、货舱门，高推动比战机发动机的涡轮，高性能火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室等，新一代先进飞机、坦克、赛车、高速列车等的刹车材料，以及火箭、飞机的密封圈等构件[4]，同时，炭/ 炭复合材料作为生物医学材料，人造心脏瓣膜、人工骨、牙种植体及作为植入材料用于矫形是近年来的研究重点[5-7]; 作为智能材料，由于其受拉力后电阻增加，是很好的拉伸传感器，具有广阔的发展前景[8]。
炭/炭复合材料由碳纤维增强碳基体复合而成。
碳基体以热解炭的形式存在，由碳源先驱体经热解碳化而成。
炭/炭复合材料的制备工艺包括: 碳纤维及其结构的选择; 基体碳先驱物的选择; 炭/炭复合材料坯体的成型工艺; 坯体的致密化工艺以及工序间和最终产品的加工等[9]。
其中，关键技术在于坯体的致密化。
2 炭/炭复合材料的致密化工艺传统的炭/炭复合材料致密化工艺主要有化学气相沉积（CVD、化学气相渗透（CVI）和浸渍法。
炭_炭复合材料热膨胀性能的研究
收稿日期：２００６．叭．２５：修订日期：２００６．０５．１０ 基金项目： 国家“９７３”项目（２００６ＣＢ６００９０８） 作者简介：赵建国（１９７１一），男，博士，现为山西大同大学化学系讲 师，主要从事复合材料、新型炭材料研究以及计算机数值模拟研究， 已发表论文２０余篇，申请国家专利５项。 通讯作者： 李克智，西北工业大学材料学院教授，Ｔｅｌ：０２９．
映原子间结合能的大小，不同晶格结构类型的材料由 于原子间的结合能不同，具有不同的膨胀系数。结合 力大，热振动幅度就小，因而膨胀就小。在高温下，晶 格振动的激化会使热膨胀系数增大，随着温度的升 高，原子振动在宏观上表现出材料的热膨胀现象，即 随着温度的升高，膨胀系数增大，如图１所示。
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定热膨胀行为的材料。高温热处理是提高炭／炭复合 材料导热性能，调整摩擦性能的重要手段，本文研究 高温热处理对炭／炭复合材料热膨胀性能的影响。
１ 实验材料及方法
１．１炭／炭复合材料的制备 以天然气为前驱体，其中组分的体积含量为
９８％ｃＨ４，０．３％Ｃ，Ｈ。，０．３％ｃ。Ｈ，ｏ，０．４％其他烃类化合 物，１％Ｎ，。炭纤维毡作预制体，利用热梯度化学气相 沉积工艺来制备炭／炭复合材料‘１ ０Ｉ，所得炭／炭复合材 料的密度为１．７５９／ｃｍ３。在氩气保护下对炭／炭复合 材料试样分别进行不同的高温热处理。 １．２性能测试
８８４９５７６４，Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｉｋｅｚｈｉｎｗｐｕ＠２６３．ｎｅｔｏ
万方数据
２ 结果与讨论
２．１炭纤维的取向对炭，炭复合材料热膨胀性能的 影响
热膨胀性能与材料的熔点、结合能和晶体的结构 有关。热膨胀系数（ＣＴＥ）受制于孤立原子相互结合 为晶体的内聚力或结合能。膨胀系数的大小直接反
碳碳复合材料概述
碳/碳复合材料概述摘要本文介绍了碳碳复合材料的发展、工艺、特性以及应用。
关键词碳碳复合材料制备工艺性能应用１前言C/C复合材料是指以碳纤维或各种碳织物增强，或石墨化的树脂碳以及化学气相沉积（CVD）所形成的复合材料。
碳/碳复合材料在高温热处理之后碳元素含量高于99%, 故该材料具有密度低,耐高温, 抗腐蚀, 热冲击性能好, 耐酸、碱、盐,耐摩擦磨损等一系列优异性能。
此外, 碳/碳复合材料的室温强度可以保持到2500℃, 对热应力不敏感, 抗烧蚀性能好。
故该复合材料具有出色的机械特性, 既可作为结构材料承载重荷, 又可作为功能材料发挥作用, 适于各种高温用途使用[1]。
因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。
２碳碳复合材料的发展碳碳复合材料是高技术新材料，自1958年碳碳复合材料问世以来，经历了四个阶段：60年代——碳碳工艺基础研究阶段，以化学气相沉积工艺和液相浸渍工艺的出现为代表；70年代——烧蚀碳碳应用开发阶段，以碳碳飞机刹车片和碳碳导弹端头帽的应用为代表；80年代——碳碳热结构应用开发阶段，以航天飞机抗氧化碳碳鼻锥帽和机翼前缘的应用为代表；90年代——碳碳新工艺开发和民用应用阶段，致力于降低成本，在高性能燃气涡轮发动机航天器和高温炉发热体等领域的应用。
由于碳碳具有高比强度、高比刚度、高温下保持高强度，良好的烧蚀性能、摩擦性能和良好抗热震性能以及复合材料的可设计性，得到了越来越广泛的应用。
当今,碳碳复合材料在四大类复合材料中就其研究与应用水平来说,仅次于树脂基复合材料,优先于金属基复合材料和陶瓷基复合材料,已走向工程应用阶段。
从技术发展看，碳碳复合材料已经从最初阶段的两向碳碳复合材料发展为三向、四向等多维碳碳复合材料；从单纯抗烧蚀碳碳复合材料发展为抗烧蚀—抗侵蚀和抗烧蚀—抗侵蚀—稳定外形碳碳复合材料；从但功能材料发展为多功能材料。
目前碳碳复合材料面对的最主要问题是抗氧化问题[2]。
碳碳复合材料热容-概述说明以及解释
碳碳复合材料热容-概述说明以及解释1.引言概述部分的内容可以按照以下方式来进行撰写：1.1 概述碳碳复合材料是一种由碳纤维和碳基基质构成的材料，具有轻量化、高强度、高温性能良好等优点，广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域。
近年来，随着科技的不断发展，碳碳复合材料的热容性能逐渐受到人们的重视。
热容是指物质在吸收或释放热量过程中的温度变化能力，是评估材料热学性能的重要指标之一。
对于碳碳复合材料而言，其热容性能直接关系到其在高温环境下的稳定性和耐久性。
因此，研究碳碳复合材料的热容性能对于优化材料设计和提高材料性能具有重要的意义。
本文将对碳碳复合材料的热容性能进行全面的描述和分析。
首先，将介绍碳碳复合材料的定义和特点，包括其制备工艺、结构特征以及热学性能等方面的内容。
然后，将着重分析碳碳复合材料在高温环境下的热容性能，探讨其受热过程中温度变化规律以及热容值的计算方法。
最后，将总结热容性能对碳碳复合材料的重要性，并展望未来研究方向，以期为碳碳复合材料的制备和应用提供科学的依据和指导。
通过对碳碳复合材料热容性能的深入研究，可以对该材料的高温应用能力和性能进行更加准确的评估，并为其在未来的研究和应用中提供参考和指导。
同时，对于碳碳复合材料以及其他相关研究领域的学者和科研人员也具有一定的参考价值。
在研究过程中，我们将通过综合运用理论分析和实验验证相结合的方法，力求全面准确地揭示碳碳复合材料的热容性能，以期为相关领域的深入研究和应用提供一定的理论和实践指导。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要通过以下几个方面对碳碳复合材料的热容进行探讨和分析。
首先，对碳碳复合材料的定义和特点进行介绍，以便读者能够对该材料有一个基本的了解。
其次，将重点关注碳碳复合材料的热容性能，探究其在热学方面的表现和应用。
最后，通过总结热容性能对碳碳复合材料的重要性，以及展望碳碳复合材料热容性能的未来研究方向，来对文章进行一个总结和展望。
碳化硼反应机理
碳化硼反应机理
碳化硼是一种广泛应用于高科技领域的陶瓷材料，其性质具有高温稳定性、硬度高、耐磨性好等特点。
其制备一般采用碳和硼的高温反应，反应机理十分重要。
碳与硼的高温反应是一个复杂的过程，在不同的条件下会出现不同的反应机理。
在通常的情况下，碳与硼的反应可以分为两个主要的步骤：第一个是碳的部分氧化，第二个是氧化碳与硼的复合反应。
在碳质量分数较高的反应中，反应中碳代表了主要的还原剂。
在反应开始时，碳和硼会直接发生反应，生成不同的碳硼化合物，如B4C 和B13C2。
碳和硼之间的反应由于温度的升高而不断加剧，在高温条件下，碳和硼的反应产生了一种比B4C更加容易形成的新型碳硼化合物——B6C。
在碳含量较低的反应中，气态中的CO和H2会在高温下氧化为CO2和H2O，释放出大量的热能，这种反应被称为燃烧反应。
在此条件下，硼和氧化碳既可以形成B4C，也可以形成B13C2。
这两种化合物的生成取决于反应中碳和硼的摩尔比。
当碳含量较低时，B13C2比B4C更容易形成。
在较高的温度下，碳和硼的反应会被氧化剂影响。
在存在氧化剂的情况下，反应较快且生成较高含量的B4C。
大量的CO2和H2O也会被释放出来。
总之，碳化硼的反应机理是一个复杂的过程，不同的反应条件会导致不同的反应机理。
在制备之前对反应的机理和条件进行研究十分重要，有助于提高产品质量和效率。
硼原子掺杂石墨负极
硼原子掺杂石墨负极硼原子掺杂石墨负极是一种新型的电池材料，具有非常广阔的应用前景。
本文将从硼原子掺杂的原理、石墨材料的特性以及硼原子掺杂石墨负极的性能优势等方面进行介绍。
我们来了解一下硼原子掺杂的原理。
硼原子掺杂是指将硼原子引入石墨材料的晶格中，取代一部分碳原子的位置。
硼原子具有较高的电负性，能够在石墨结构中形成与碳原子不同的化学键。
这种硼原子掺杂可以改变石墨材料的电子结构，使其具有更好的导电性和储能性能。
石墨是一种具有层状结构的材料，层与层之间由弱的范德华力相互作用。
这种结构使得石墨材料具有较好的导电性和可撕裂性。
然而，石墨材料的储能性能有限，容量较低，不适用于高能量密度的电池应用。
而通过硼原子掺杂，可以增加石墨材料的储能容量，提高其应用性能。
硼原子掺杂石墨负极具有以下几个性能优势。
首先，硼原子掺杂可以提高石墨材料的导电性能。
硼原子的掺杂可以引入额外的电子，增加石墨材料的电子浓度，从而提高其导电性能。
其次，硼原子掺杂可以改善石墨材料的锂离子嵌入/脱嵌动力学特性。
硼原子与锂离子之间的相互作用可以减弱锂离子在石墨材料中的扩散能垒，提高锂离子的迁移速率。
这样可以显著提高电池的充放电性能和循环寿命。
硼原子掺杂石墨负极还具有较高的储能容量。
石墨材料的储能容量主要由其层状结构决定，而硼原子的掺杂可以进一步提高其储能容量。
硼原子与锂离子之间的相互作用可以增加石墨材料中锂离子的嵌入量，从而提高电池的储能密度。
这使得硼原子掺杂石墨负极在高能量密度的电池应用中具有广阔的前景。
硼原子掺杂石墨负极还具有较好的循环稳定性和安全性能。
硼原子的掺杂可以增强石墨材料的机械强度和抗膨胀性能，减少锂离子的嵌入/脱嵌引起的体积变化，从而提高电池的循环稳定性。
另外，硼原子的掺杂还可以降低石墨材料的热稳定性，减少电池的过热现象，提高电池的安全性能。
硼原子掺杂石墨负极是一种具有广泛应用前景的电池材料。
通过硼原子掺杂，可以显著提高石墨材料的导电性能、储能容量、循环稳定性和安全性能。
碳碳复合材料(Composite materials)简介
材料基础培训-碳碳复合材料（Compos
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
高温拉伸蠕变性能
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
煤焦油沥青真空浸渍，650摄氏 度100MPa下 炭 化， 2300 摄氏度 在惰性气体下石墨化
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
界面强度测试
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
致密化次数的影响
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
复合材料抗氧化处理
• 如果发生氧化，CC复合材料的性能迅速下 降。当温度高于500℃，碳纤维和氧气接触， 碳纤维氧化的速度非常迅速。
• 当有2%-5%重量的碳纤维发生氧化，碳纤 维的力学性能会降低40%-50%。
• 抗氧化处理
– 通过净化去除催化氧化剂，钝化反应基 – 加入一些元素或化合物阻止氧气与纤维接触 – 开发外部涂层技术。
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
压缩试件尺寸的影响
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
高温压缩性能
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
2D C/C Torayca M40， 使用预浸纤维束方法， 6K碳纤维， 利用尼龙 似把纤维束固定成单向 的预浸渍板，[0/90]4s 对 称 铺 层 ， 873K HIP, 2273K 在 惰 性 气 体 环 境 下热处理，纤维体积分 数为40%。
高导热C_C复合材料的发展现状_孔清
收稿日期：2013－11－22基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划），“高导热碳/碳复合材料结构设计与实现机制”（2011CB605802）作者简介：孔清，1986年出生，硕士，主要从事C /C 复合材料的研究工作。
E －mail ：kongq703@163．com 通讯作者：冯志海，1965年出生，研究员，主要从事烧蚀防热复合材料的研究．E －mail ：fengzhh2006@sina．com高导热C /C 复合材料的发展现状孔清樊桢余立琼冯志海（航天材料及工艺研究所，先进功能复合材料技术重点实验室，北京100076）文摘高导热C /C 复合材料具有高热导率、低密度、低热胀系数和高温下高强度等性能，成为近年来最具发展前景的散热材料之一。
本文综述了国内外高导热C /C 复合材料的发展现状，分析了C /C 复合材料的热物理性能及影响其热导率的因素，介绍了C /C 复合材料的导热机理、碳纤维、基体炭的导热性能，以及高导热C /C 复合材料的制备和改性等。
关键词C /C 复合材料，热导率，碳纤维，导热机理中图分类号：TQ342+．74DOI ：10．3969/j．issn．1007－2330．2014．01．002Progress of High-Thermal Conductivity Carbon /Carbon CompositesKONG QingFAN ZhenYU LiqiongFENG Zhihai（Science and Technology on Advanced Functional Composites Laboratory ，Aerospace Ｒesearch Institute ofMaterials ＆Processing Technology ，Beijing 100076）Abstract Carbon /carbon composites are attractive candidates for heat dissipation due to their high thermal con-ductivity ，low density ，low dilatability and excellent mechanical properties．The paper summaries the research anddevelopment of high-thermal conductive C /C composites domestic and overseas ，the thermophysical properties of C /Ccomposites and the factors affecting on thermal conductivity are discussed．The thermal conductive mechanism of C /Ccomposites ，carbon fibers and matrix carbon are introduced ，and the preparation and modification of C /C composites are also recommended．Key words C /C composites ，Thermal conductivity ，Carbon fiber ，Thermal conductive mechanism 0引言随着科学技术的迅猛发展，散热成为许多领域发展的关键技术。
碳碳复合材料及其应用
碳/碳复合材料及其应用江文波(中国地质大学（北京）材料科学与工程学院10031021班1003102122, 北京，100083)摘要：综述了碳碳复合材料的各种制备方法，性能特性，主要缺陷及改进措施，材料间的连接工艺，及其在航空航天领域的应主要用等关键词：碳碳复合材料；特性及性能；制备工艺；抗氧化处理；连接；应用；展望引言：C/C复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。
作为增强体的碳纤维可用多种形式和种类，既可以用短切纤维，也可以用连续长纤维及编织物。
各种类型的碳纤维都可用于碳/碳复合材料的增强体。
C/C 复合材料在高温氧化性气氛下极易氧化，并且氧化速率随着温度的升高迅速增大，必需进行抗氧化处理，若无抗氧化措施，在高温氧化环境中长时间使用C/C 复合材料必将引起灾难性后果。
C/C 复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员，具有密度低、高比强度比模量、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀等特点，尤其是其强度随着温度的升高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所有已知材料中耐高温性最好的材料。
因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。
1碳碳复合材料特性及性能[1]1.1碳碳复合材料特性C/C复合材料是新材料领域中重点研究和开发的一种新型超高温材料，它具有以下显著特点：(1)密度小(<2.0 g/cm )，仅为镍基高温合金的1/4，陶瓷材料的1/2，这一点对许多结构或装备要求轻型化至关重要。
(2)高温力学性能极佳。
温度升高至2 200℃，其强度不仅不降低，甚至比在室温时还高，这是其他结构材料所无法比拟的。
(3)抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀，可以用于3 000℃以上高温短时间烧蚀的环境中，如火箭发动机喷管、喉衬等。
(4)摩擦磨损性能优异，其摩擦系数小，性能稳定，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。
(5)具有其他复合材料的特征，如高强度、高模量、高疲劳度和蠕变性能等。
催化石墨化效应
催化石墨化效应
催化石墨化效应指的是通过催化剂促进石墨化反应的过程。
石墨化是指将非晶态碳转变为具有结晶性的石墨材料的过程，通过这种转变可以大幅度提高材料的导电性、导热性和机械性能等。
催化石墨化效应的机制目前还没有清晰的理论解释，但已经有一些实验观察到的现象可以用来解释。
一种常见的观察是使用铁、镍等过渡金属催化剂在较低温度下对非晶态碳材料进行治疗，可以促进石墨形态的发展。
这些过渡金属催化剂在反应过程中可能起到了晶核形成的作用，从而使得石墨晶体局部区域的形成速度快于非晶态材料在整体上的结构重组速率。
此外，有研究表明催化剂还能够引导碳原子的排列，从而有助于石墨化反应的进行。
催化石墨化效应在碳纳米材料制备、碳纤维增强复合材料制备等领域具有重要应用价值。
通过优化催化剂的选择和处理条件，可以实现高效、低温的石墨化反应，从而提高材料的性能和制备效率。
硼在碳碳复合材料中的状态及其催化石墨化作用
硼在碳/碳复合材料中的状态及其催化石墨化作用T he Stat e and Cat alyt ic Graphitization ofBoron in Carbon/Carbon Composites李崇俊 马伯信 霍肖旭 郝志彪(陕西非金属材料工艺研究所)Li Chong jun M a Box in Huo Xiao xu Hao Zhibiao(Shanxi Research Institute of non-M etal Materials Technolog y)[摘要] 以糠酮树脂作粘结剂,添加树脂碳微粉、硼类催化剂、短切PA N基高强碳纤维,制得了含硼C/C复合材料。
通过X射线衍射(X RD)、X射线光电子能谱(X PS)等手段,检测了硼、氧化硼在C/C中的状态,研究了它们对C/C复合材料的催化石墨化作用,分析了石墨化温度、催化剂种类及其用量对石墨化度的影响。
结果表明,硼以固溶体的形式存在C/C复合材料,通过吸电子断键、代替碳原子消除缺陷等机理形式,使最难石墨化的玻璃碳和纤维碳达到了石墨化。
在石墨化温度是2100℃、催化剂硼用量小于5.0wt%工艺条件下,玻璃碳基C/C的石墨化度达到了82%,而无催化剂的C/C在2500℃下石墨化度才达到71%。
这表明硼在降低石墨化温度方面有明显作用。
关键词 催化石墨化 硼 石墨化 C/C复合材料[Abstract] The boro n doped sho rt carbon fiber reinfor ced furfuryl-acetone resin derived glassy carbon m atrix C/C composites w ere fabricated by addition of pow dered carbon and boro n. By m eans of XRD,XPS,the state o f boron,bor on o xide and the effects of their catalystic graphi-tization in C/C were studied;the affecting factors to graphitizatio n deg ree including tem perature, catalytic kinds and catalyst amo unt were also analysed.In result,bo ron ex ists in C/C in the state of solid solution;through such catalytic mechanisms and attr acting electron to break bond,replac-ing car bon atom to eliminate defects,the glassy carbo n and fibro us carbon,w hich are more non-gr aphitizable,can get hig her g raphitization deg ree.On condition that tem perature is2100℃, boron is less than5.0w t%,the g raphitization degree of glassy car bon matrix C/C is up to82%, w hich is increased by11%than that of2500℃graphitized C/C w ithout catalyst.It is sho w n that boro n can decrease g raphitization temper ature sharply. Keywords catalytic g raphitization boron graphitization carbon/carbon com posites1 前言 碳/碳复合材料以其优异的高温性能在飞行器鼻锥、火箭发动机喷管喉部以及飞机的刹车片等方面得以广泛应用,成为航天等高科技领域发展的基础支柱。
碳碳复合材料概述
碳碳复合材料概述1概述碳/碳复合材料是由碳纤维（或石墨纤维）为增强体，以碳（或石墨）为基体的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料，也称为“碳纤维增强碳复合材料”。
碳 /碳复合材料完全是由碳元素组成，能够承受极高的温度和极大的加热速率。
它具有高的烧蚀热和低的烧蚀率，抗热冲击和在超热环境下具有高强度，被认为是超热环境中高性能的烧蚀材料。
在机械加载时，碳 /碳复合材料的变形与延伸都呈现出假塑件性质，最后以非脆性方式断裂。
它的主要优点是：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻。
碳/碳复合材料的缺点是非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差•制造加工周期长，设计方法复杂，缺乏破坏准则。
1958年，科学工作者在偶然的实验中发现了碳/碳复合材料，立刻引起了材料科学与工程研究人员的普遍重视。
尽管碳/碳复合材料具有许多别的复合材料不具备的优异性能，但作为工程材料在最初的10年间的发展却比较缓慢，这主要是由于碳/碳的性能在很大程度上取决于碳纤维的性能和谈集体的致密化程度。
当时各种类型的高性能碳纤维正处于研究与开发阶段, 碳/碳制备工艺也处于实验研究阶段，同时其高温氧化防护技术也未得到很好的解决。
在20世纪60年代中期到70年代末期，由于现代空间技术的发展，对空间运载火箭发动机喷管及喉衬材料的高温强度提出了更高要求，以及载人宇宙飞船开发等都对碳/碳复合材料技术的发展起到了有力的推功作用。
那时，高强和高模量碳纤维已开始应用于碳/ 碳复合材料，克服碳/碳各向异性的编织技术也得到了发展，更为主要的是碳/碳的制备工艺也由浸渍树脂、沥青碳化工艺发展到多种CVD沉积碳基体工艺技术。
这是碳/碳复合材料研究开发迅速发展的阶段，并且开始了工程应用。
由于20世纪70年代碳/碳复合材料研究开发工作的迅速发展，从而带动了80年代中期碳/碳复合材料在制备工艺、复合材料的结构设计，以及力学性能、热性能和抗氧化性能等方面基础理论及方法的研究，进一步促进和扩大了碳/碳复合材料在航空航天、军事以及民用领域的推广应用。
有机合成中的碳硼键活化反应研究
有机合成中的碳硼键活化反应研究碳硼键活化反应是有机合成领域的重要研究方向之一，通过活化碳硼键，可以从硼酸酯衍生物中引入各种有机官能团，实现复杂分子的构建。
本文将介绍碳硼键活化反应的基本原理、反应条件以及一些应用案例。
一、碳硼键活化反应的基本原理碳硼键活化反应是指将碳硼键中的碳原子与其他化合物进行反应，引入新的官能团。
在此类反应中，通常会涉及一个或多个步骤，包括硼-碳键断裂、碳-碳键形成以及官能团的引入。
碳硼键活化反应可以通过金属催化、无金属催化以及光催化等多种方式进行。
金属催化是其中最常见的方法之一，常用的金属催化剂包括钯、铂、铜等。
金属催化的反应机制通常涉及配位或氧化还原过程，通过金属催化剂的作用，可以降低反应活化能，促进反应的进行。
二、碳硼键活化反应的反应条件碳硼键活化反应的反应条件主要包括温度、溶剂、催化剂以及反应时间等。
1. 温度：碳硼键活化反应中的温度通常在室温至高温条件下进行，具体温度的选择与反应底物以及催化剂的性质有关。
2. 溶剂：合适的溶剂选择有助于反应的进行和产物的纯度。
常用的溶剂包括乙腈、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)等。
3. 催化剂：根据具体反应的要求，可以选择不同的催化剂。
例如，钯催化的碳硼键活化反应中，常用的催化剂有钯和钯配合物等。
4. 反应时间：反应时间的选择需要考虑底物的反应性以及反应的进行程度，通常在几小时至数天之间。
三、碳硼键活化反应的应用案例1. 碳硼键活化反应在天然产物合成中的应用：碳硼键活化反应可以用于合成复杂的天然产物，如生物碱类化合物、天然多糖以及天然激素等。
通过碳硼键活化反应，可以引入各种有机官能团，实现天然产物的结构修饰和功能增强。
2. 碳硼键活化反应在药物合成中的应用：碳硼键活化反应在药物研发中扮演着重要的角色。
通过合成具有特定生物活性的官能团，可以获得新型药物分子。
此外，碳硼键活化反应还可以用于合成药物的中间体，提高合成效率。
3. 碳硼键活化反应在有机光电器件制备中的应用：碳硼键活化反应可以用于合成有机分子的共轭体系，具有良好的π-π堆积性能。
硼催化石墨反应
硼催化石墨反应
硼催化石墨反应是一种在石墨上通过硼单质或化合物进行催化处理，以提高石墨化程度的方法。
这种方法可以降低石墨化温度，从而提高石墨的导电性能和耐高温性能。
在硼催化石墨反应中，硼单质或化合物可以与石墨中的碳原子发生反应，生成新的碳硼化合物。
这些碳硼化合物在石墨中起到“桥梁”的作用，使得相邻的碳原子之间更容易形成大π键，提高了石墨的层间相互作用和稳定性。
通过这种方法，石墨的层间距可以得到有效的控制，从而实现对石墨化程度的调控。
这种方法在材料科学、化学、物理等领域具有广泛的应用前景，尤其是在制备高性能石墨材料、电池电极材料、气体分离膜材料等方面具有重要价值。
此外，硼催化石墨反应还可以通过热处理过程实现。
在热处理过程中，硼单质或化合物可以在石墨表面或内部形成间隙硼，从而使得石墨内部的碳原子更容易发生石墨化反应。
间隙硼还可以起到促进碳原子扩散的作用，进一步加速石墨化过程。
总之，硼催化石墨反应是一种重要的材料制备技术，它可以提高石墨材料的性能和稳定性，从而在多个领域得到广泛应用。
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硼在碳/碳复合材料中的状态及其催化石墨化作用T he Stat e and Cat alyt ic Graphitization ofBoron in Carbon/Carbon Composites李崇俊 马伯信 霍肖旭 郝志彪(陕西非金属材料工艺研究所)Li Chong jun M a Box in Huo Xiao xu Hao Zhibiao(Shanxi Research Institute of non-M etal Materials Technolog y)[摘要] 以糠酮树脂作粘结剂,添加树脂碳微粉、硼类催化剂、短切PA N基高强碳纤维,制得了含硼C/C复合材料。
通过X射线衍射(X RD)、X射线光电子能谱(X PS)等手段,检测了硼、氧化硼在C/C中的状态,研究了它们对C/C复合材料的催化石墨化作用,分析了石墨化温度、催化剂种类及其用量对石墨化度的影响。
结果表明,硼以固溶体的形式存在C/C复合材料,通过吸电子断键、代替碳原子消除缺陷等机理形式,使最难石墨化的玻璃碳和纤维碳达到了石墨化。
在石墨化温度是2100℃、催化剂硼用量小于5.0wt%工艺条件下,玻璃碳基C/C的石墨化度达到了82%,而无催化剂的C/C在2500℃下石墨化度才达到71%。
这表明硼在降低石墨化温度方面有明显作用。
关键词 催化石墨化 硼 石墨化 C/C复合材料[Abstract] The boro n doped sho rt carbon fiber reinfor ced furfuryl-acetone resin derived glassy carbon m atrix C/C composites w ere fabricated by addition of pow dered carbon and boro n. By m eans of XRD,XPS,the state o f boron,bor on o xide and the effects of their catalystic graphi-tization in C/C were studied;the affecting factors to graphitizatio n deg ree including tem perature, catalytic kinds and catalyst amo unt were also analysed.In result,bo ron ex ists in C/C in the state of solid solution;through such catalytic mechanisms and attr acting electron to break bond,replac-ing car bon atom to eliminate defects,the glassy carbo n and fibro us carbon,w hich are more non-gr aphitizable,can get hig her g raphitization deg ree.On condition that tem perature is2100℃, boron is less than5.0w t%,the g raphitization degree of glassy car bon matrix C/C is up to82%, w hich is increased by11%than that of2500℃graphitized C/C w ithout catalyst.It is sho w n that boro n can decrease g raphitization temper ature sharply. Keywords catalytic g raphitization boron graphitization carbon/carbon com posites1 前言 碳/碳复合材料以其优异的高温性能在飞行器鼻锥、火箭发动机喷管喉部以及飞机的刹车片等方面得以广泛应用,成为航天等高科技领域发展的基础支柱。
但是,在C/C复合材料的制造过程中,存在着一些固有的问题,如周期长、能耗大、热处理温度高等。
热处理温度的高低不仅仅是能耗及成本问题,也是提高材料的性能、大幅度降低其残余热应力、使其更适合未来的应用的重大问题。
如报道,C/C复合材料在成型工艺中的热应力远大于使用时的应力[1,2]。
因此,在本实验中研究降低C/C复合材料的石墨化温度,通过添加硼单质及其化合物,来使C/C复合材料在较低温度下达到石墨化,从机理上说,也就是催化石墨化。
降低石墨化温度(石墨化度不降低)的研究,可以在满足性能要求的前提下,简化对设备和能源的要求、减少热应力、降低C/C复合材料的制造成本,因而具有重大意义,其表现在以下几个方面:石墨化温度通常在・3・2400℃以上,这样的高温,对石墨化设备提出了苛刻的要求。
降低石墨化温度,可减缓对隔热耐火材料、发热体的损坏和频繁维修、补充,延长了设备寿命。
一般而言,制造温度越高,由于组分材料热膨胀系数、弹性模量的不匹配,会使制品内的热应力很大,甚至可造成制品开裂或使用寿命降低。
石墨化温度降低,可有效地防止残余热应力造成的厚壁构件的开裂和薄壁构件的翘曲变形。
还有,电力也是棘手问题,它耗电量大,能源消耗高。
温度高、时间长,人员易疲劳。
降低石墨化温度,还可克服超高温阶段的升温困难,大大地缩短石墨化时间[3]。
同时,利用添加剂也可改善基体碳的微观结构,使难石墨化的玻璃碳能够石墨化。
使玻璃碳的先驱材料树脂作为C/C复合材料基材稳定、可靠的来源。
本实验之所以选用硼做催化剂,是因为:第一,硼是一种缺电子原子,在众多的催化剂种类中,是唯一一种能和碳形成置换固溶体的元素。
硼的微量加入,不会导致石墨晶格结构的破坏。
其次硼、碳化硼为难熔无机物,熔点分别是2500℃和2450℃,它们在石墨化温度下结构稳定,对C/C复合材料的抗热震性能、烧蚀性能等不至产生坏的影响。
第三,用硼作催化剂,在焦碳中研究比较多,催化效果显著。
大谷朝男提出一些物质对石墨化性能的顺序如下:B>A l>B2O3,B(O H)3,Al2O3 >Fe,M n>Si。
综上考虑,决定选用硼做为C/C复合材料石墨化的催化剂[4]。
2 实验 本实验以糠酮树脂作粘结剂,以树脂碳微粉、硼类催化剂、短切碳纤维为添加剂,经过模压成型,常压碳化,真空浸渍(共浸渍两次),最后进行石墨化处理,石墨化处理如表1所示,制得了含硼C/C复合材料。
氧化硼的加入量以含量为基准,最终C/C复合材料的密度在1.3～1.4g/cm3之间。
硼对C/C复合材料的催化石墨化作用是通过检测石墨化度来衡量的。
由XRD测试了C/C复合材料的石墨化度[5],其公式为: G=(0.344-d002)/(0.344-0.3354)其中,0.344nm是完全无序碳材料的层间距, 0.3354nm是理想石墨晶体的层间距,d002是XRD测试的由石墨的主要特征峰002计算出的层间距。
由XR D、XPS分析了硼、B2O3在C/C中的状态及其催化石墨化作用。
单质硼:德国进口,粒度<10 m,纯度≥96%氧化硼:开原化学试剂厂,分析纯,含量≥98%,过500目筛子。
3 结果与讨论3.1 硼在C/C复合材料中的状态 单质硼、氧化硼因存在的状态不同,在热处理过程中也发生不同的变化。
对于硼,与碳发生如下反应: 4B+C1600℃B4C 而氧化硼于577℃熔化,在高温热处理中,发生以下反应: B2O3+C1600℃B4C 因此,在1600℃以前,硼、氧化硼在C/C中状态不同,在1600℃以后,都是碳化硼在起作用了。
本实验利用XR D和XPS等对硼在C/C中的状态进行了分析。
图1是加入催化剂前后C/C的大范围X射线衍射图谱。
从中可以看出,衍射角2 从18°到64°,图中除了石墨的三个峰(2 =26.30,42.80,54.10,其中26.30为002面特征峰)外,并没有检测到单质硼和碳化硼的衍射峰。
由标准计算,碳化硼的三个衍射峰应分别出现在2 =37.62,34.80,23.40处,其中37.62是强峰。
本实验对石墨化设计中的9组试样都作了大范围X射线衍射分析,所有图谱中均未出现硼及其碳化物的特征峰图谱。
故有两种可能:一是硼全部逸出蒸发掉,一是硼及其碳化物不在石墨的晶格之外,可能已进入石墨层内或层间,以置换或间隙固溶体形式存在[6,7]。
图1 催化剂加入前后C/C的大范围X射线衍射图谱(a)2500℃处理、无催化剂(b)2100℃处理、添加5wt%的硼Fig.1 XRD s pectrum of C/C in a largescale with ou t(a)and w ith(b)catalyst・4・ 硼到底是全部逸出还是固溶于石墨结构中,可由XP S 来检测。
图2(a )是未加硼的、2500℃石墨化的C /C 能谱图;图2(b )是添加5wt %氧化硼、1800℃处理的能谱图。
从以上图谱比较可看出,未加硼的能谱图没有出现任何谱峰(图中为底峰),而添加氧化硼的,硼的谱峰就明显的出现了,表明有硼存在。
在XR D 图谱中没有出现硼及其化合物的衍射峰,而在X PS 中又出现了硼的能谱峰,这一现象说明,在C /C 复合材料中添加的硼及其化合物,在石墨化热处理时并没有全部蒸发掉,但也不在石墨的晶格外,而是以固溶体的形式存在于石墨晶格中[7]。
图2 催化剂加入前后C /C 的XPS 图谱(a )2500℃处理、无催化剂;(b )1800℃处理、添加5w t %的氧化硼Fig .2 XPS spectrum of C /C w ithout (a )and w ith (b )catalys t XP S 还可半定量地给出C /C 复合材料的最终硼含量。
在添加硼10w t %(占C /C 材料质量的6.54w t %)、2500℃处理的试样中,测出硼含量是1.37at %(1.17wt %);而在添加氧化硼(含硼占C /C 材料质量的3.38w t %)、1800℃石墨化的试样中,测出含硼量是3.98at %(3.41w t %)。
以上数据说明,在高温热处理中,硼确实蒸发掉一部分,且高温(2500℃)处理的,硼逸出量较大。
据文献报导,加入碳-石墨材料中的硼,在石墨化热处理过程中,硼原子进行扩散,进入碳的乱层石墨结构中,形成置换固溶体,硼在碳中的固溶和石墨化是同时发生的。