炭/炭-陶瓷/炭多元复合材料的制备与性能
炭/炭复合材料性能开发具有重要的意义。本文采用纤维状粘土与纤维素水热制备粘土/炭复合材料，将制备的粘土/炭复合材料作为添加剂掺杂引入炭/炭复合材料中，以此达到提升炭/炭复合材料力学性能和抗氧化性能的目的。主要研究内容如下: (1)以纤维素和凹凸棒石为原料，水热制备凹凸棒石/炭(PG/C)纳米复合材料。采用浸渍-碳化工艺在炭/炭复合材料中引入PG/C作为添加剂，一步热压对材料最终成型，原位获得炭/炭-陶瓷/炭复合材料。研究了添加PG/C对C/C力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明:PG/C在热压过程中转变为顽辉石陶瓷/炭，陶瓷/炭通过“填充”、“桥联”起增强作用，陶瓷表面负载纳米炭层有效避免了陶瓷与基体炭间弱结合的产生，进一步促进了力学性能的提高，使得炭/炭复合材料抗弯强度提升了34～45％，弯曲模量提升了27～42％。同时陶瓷/炭在基体中的原位生成一定程度上减缓了氧化过程，提高了材料的抗氧化性，1000℃热重分析条件下质量损失降低12～18％。 (2)采用纤维状海泡石和管状埃洛石与纤维素水热分别制备海泡石/炭和埃洛石/炭复合材料，并以此作为添加剂热压制备炭/炭-陶瓷/炭复合材料，研究材料力学性能和抗氧化性能。结果表明埃洛石在热处理过程中转变为γ-Al2O3、非晶SiO2。埃洛石/炭热处理中原位转化成的陶瓷/炭通过一维纳米结构弥补炭/炭复合材料中的缺陷，使材料抗弯强度提升73～45％，弯曲模量提升152～179％。陶瓷/炭的生成减少炭材料的氧化活性位点并减缓氧化速度，使得炭/炭复合材料的氧化质量损失炭降低至34～48％。海泡石/炭基于同样机理使炭/炭复合材料弯曲强度和模量分别提升64～45％与97～118％，氧化质量损失降低至53～58％。埃洛石/炭和海泡石/炭的添加对于炭/炭性能有类似添加凹凸棒石/炭的提高。 (3)以添加埃洛石/炭制备的炭/炭-陶瓷/炭为研究对象，改变热压过程中的压力和添加埃洛石/炭的含量，确定最佳工艺参数。结果表明，最佳热压压力为30Mpa。初步推测是压力改变了材料的各组分自身结构性质，并且引起了各组分的复合情况变化的综合结果。埃洛石/炭添加量占基体前驱体质量比为30％时，复合材料力学性能最佳。埃洛石/炭引入量较低时(10-30％)，埃洛石/炭原位转变的陶瓷/炭力学增强效果不明显;埃洛石/炭引入量较高时(30-60％)，基体炭不能很好发挥粘结作用。结果可能是由于埃洛石添加量为30％时，基体碳‘粘结’和陶瓷/炭‘协同’增强复合材料力学增强达到平衡。
复合材料;炭元素;粘土;陶瓷;制备工艺;力学性能;抗氧化性能
合肥工业大学
硕士
化学工艺
吴雪平
2016
中文
TB332
63
2016-10-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）