炭石墨复合材料的制备及性能研究(材料科学与工程)
摘 要
炭/石墨复合材料是一种高性能结构、功能复合材料，具有高强度、高模量、高导热、隔热优异等优异特性，在机械、电子、化工、冶金和核能等领域中得到广泛应用，并且在航天、航空和国防领域中的关键部件上大量应用。但由于炭材料在450℃的氧化气氛中就开始发生氧化，轻度氧化时材料的密度降低，强度下降，严重氧化时材料会出现分层，甚至变力絮状，完全丧失材料的机械性能。
本设计以制备物化性能和机械性能良好的炭/石墨复合材料为目的，对炭/石墨复合材料的原料，粘结剂的改性剂及其性能作了系统研究。分别采用改变原料配比和改变粘结剂种类及用量的方法制得机械强度高体积密度大的炭/石墨复合材料。通过对比，发现用熟石油焦制备的材料其致密度、机械强度及电导率比用生石油焦的都要好。用磷酸，碳化硅改性酚醛树脂后，其性能比没改性的要强。
关键词：炭/石墨复合材料；熟石油焦；改性剂；制备；性能
Abstract
Carbon / graphite composite material is a high performance structure, functional composite materials with high strength, high modulus, high thermal conductivity, excellent insulation and other outstanding features. Carbon / graphite composite material is widely used in machinery, electronics, chemicals, metallurgy and other fields of nuclear energy and in the aerospace, aviation and defense in the field of critical components on a large number of applications. However, the carbon materials start to oxidize in the atmosphere 450 ℃, In the mild oxidation, materials, density and strength are decreased. When Severe oxidation, material stratification occurs, complete lose mechanical properties. [版权所有：http://DOC163.com]
The design prepared by physical and chemical properties and good mechanical properties of carbon / graphite composite materials for the purpose of carbon / graphite composite materials, adhesive agents and their properties were modified system. Change the ratio of raw materials were used and the type and amount of change in method of binder obtained bulk density and mechanical strength of carbon / graphite composites. By contrast the use of familiar materials, petroleum coke prepared its density, mechanical strength and electrical conductivity of petroleum coke used to be good students. With phosphoric acid, silicon carbide modified phenolic resin, its performance is stronger.
Keywords: Carbon / graphite composites; mature petroleum coke; modifier; preparation; performance
课题研究内容、目的及意义
酚醛树脂具有良好的粘附性能,且其高温碳化后的残碳值高,对被粘接碳材料基体具有良好的物理、化学相容性,因此被选作为碳材料高温粘结剂的基体。但纯酚醛树脂高温碳化后,大量的热解组分从胶层中挥发、释放,在粘接界面上将会产生许多的收缩裂纹,在承受负荷时应力集中现象较为严重,导致粘接处的抗剪强度在高温下急剧降低。同时,酚醛树脂碳化后生成的无定型碳尽管与被粘接碳材料同类,但仅靠良好的相容性是难以实现理想的连接作用。而高温处理后,粘接界面上化学键合力的生成是保持高强度粘接的关键。因此,在纯酚醛树脂( PF) 中填加的添加剂,既要能够减小高温碳化后的体积收缩,又要能在粘接部件中发生化学反应,以期在粘接界面上生成化学键合力。本研究试图采用价格低廉的原料,通过常规设备和简单的工艺流程来制备性能优良的高密高强炭材料,为炭材料的工业化生产做一些试探性的工作。为提高粘结剂的耐热温度和粘接强度,可向其中添加各种填料进行改性。
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本试验的重点在于提高其抗氧化性能及机械强度，而且保证其高温力学性能。本试验的难点在于，怎么样、添加何种改性剂，使得酚醛树脂形成发达的网络结构体，减小高温碳化后的体积收缩，以期在粘接界面上生成化学键合力，从而改善碳材料的性能。本研究拟采用的工艺流程为:原料预处理——粉料制备——模压成型——固化烧结——浸渍——固化烧结。原料破碎后用球磨机长时间研磨使颗粒平均粒径小于200目;在粉料制备的过程中，加入改性剂，使酚醛树脂在固化烧结是能够发生交联反应，生成发达的网状体结构，从而提高材料的抗氧化性及机械强度。
本次设计就是在以熟石油焦、石墨、炭黑为基体的基础上，改善其粘结剂，试图采用价格低廉的原料,通过常规设备和简单的工艺流程来制备性能优良的高密高强炭材料,为炭材料的工业化生产做一些试探性的工作。
设计任务：
（1）了解炭/石墨复合材料的发展进程；
（2）掌握各种制备炭/石墨复合材料的方法；
（3）熟悉各种检测炭/石墨复合材料的仪器和表征方法。
设计目的：
（1）熟悉炭/石墨材料的制备原理；
（2）制备炭/石墨复合材料；
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（3）对炭/石墨复和材料进行性能检测并表征。
目 录 12000字
1 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 课题研究方向与发展 2
1.2.1 石油焦的煅烧 2
1.2.2 粘结剂 2
1.2.3 致密度的提高 4
1.3 国内外研究状况 6
1.4 课题研究内容、目的及意义 6
2 实验 9
2.1主要原料及设备 9
2.1.1 熟石油焦 9
2.1.2 鳞片石墨 9
2.1.3 酚醛树脂 9
2.1.4 其他原料 10
2.1.5 主要仪器及设备 10
2.2 制备流程 11
2.2.1工艺流程图 11
2.2.2 粉料制备 11
2.2.3 样品成型 11
2.2.4 固化 11
2.2.5 焙烧 12
2.3 样品物理性能测试 12
2.3.1 体积密度 13
2.3.2 抗折强度 13
2.3.3 抗压强度 13
2.3.4 电导率 14
2.3.5 差热分析 14
2.3.6 电镜扫描 14
3 实验结果及讨论 15
3.1 不同原料样品的性能 15
3.1.1 密度 15
3.1.2 抗压强度 16
3.1.3 电导率 17
3.2 磷酸和碳化硅系列不同浓度改性剂样品的性能 17
3.3 碳化硅占树脂4.5%样品的差热-热重分析 20
3.4 电镜分析 20
4 结论 22
致谢 23
参考文献 24 [资料来源：Doc163.com]