膨胀石墨孔隙结构及表征方法研究进展

膨胀石墨是制备柔性石墨材料及相关制品的原料,其微观结构特性对柔性石墨制品有重要影响。本文简述了膨胀石墨中宏观-介观-微观多尺度的孔隙分布、孔隙尺寸、孔隙形貌等孔隙结构,论述了石墨粒度、氧化插层工艺、氧化程度、水洗工艺、膨化方式、破碎等加工处理对孔隙结构的影响,介绍了低温N2吸附法、压汞法(MIP)、扫描电子显微镜(SEM)等膨胀石墨孔隙结构传统表征技术的基本原理,总结了小角度X射线散射法(SAXS)、原子力显微镜法(AFM)、差示扫描热孔计法(DSCT)、核磁共振冷孔计法(NMRC)等表征方法的优缺点,提出今后应结合多种表征技术重点探索膨胀石墨介微观孔隙结构,以此为切入点探讨膨胀石墨的理化性能,有助于推动膨胀石墨孔隙结构的深入研究及在其他领域的应用。     

炭素专利

正公开号:CN107265450A公开日:2017-10-20申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所发明人:刘占军,赵红超,连鹏飞,等发明名称:一种微细结构石墨的制备方法一种微细结构石墨的制备方法是采用超细颗粒沥青焦为骨料,高软化点沥青为黏结剂,以液相分散混合的方式制备糊料,并破碎制得压粉,经等静压成型、炭化、浸渍和高温石墨化,制备出微观结构致密且孔径分布细小的各向同性石墨。     

氧化石墨改性酚醛泡沫材料的制备及其表征

采用原位聚合法制备了氧化石墨改性酚醛树脂,并以其为主要原料制备酚醛泡沫材料。通过红外光谱仪、万能试验机、热重分析仪、扫描电子显微镜等测试手段对改性酚醛泡沫材料的力学性能、热稳定性以及微观结构进行表征。结果表明,与未改性的酚醛泡沫塑料相比,添加1.0%氧化石墨改性酚醛泡沫材料泡孔尺寸更加均匀,压缩强度比未改性的酚醛泡沫塑料提高65.0%,表面粉化率显著降低,氧化石墨对酚醛泡沫材料的强度、韧性及热稳定性均有显著的提高。     

原料种类对等静压石墨性能的影响

以石油焦和天然石墨为原料,改质沥青为黏结剂,经过混捏、等静压成型、浸渍和石墨化等工序制备等静压石墨,考察了原料种类对等静压石墨性能的影响。结果表明:等静压石墨的体积密度随着浸渍次数的增加而增大,电阻率则随浸渍次数的增加而减小;经过二浸三焙的两种炭质原料制备的等静压石墨的体积密度和电阻率相差不大;石油焦制备的等静压石墨力学性能最高,抗压强度为72.0 MPa,抗折强度为39.9 MPa。     

过氧乙酸用量对石墨插层效果的影响及其氧化插层机理

以过氧乙酸为氧化剂,通过化学氧化法制备了不同插层效果的可膨胀石墨。利用XRD、FT-IR、SEM等对样品结构、氧化程度、微观形貌进行表征。结果表明,过氧乙酸对石墨有显著的氧化插层效果,在石墨与过氧乙酸体积比为1∶3时制备的可膨胀石墨的膨胀容积达到200 m L/g,其主要技术指标优于国标GB 10698—89中KP 180-Ⅲ型优等品的要求。过氧乙酸氧化机理在于其—COO~-可从石墨层夺取电子,导致石墨被氧化,打开石墨层,插层剂因静电作用进入石墨层间,形成可膨胀石墨。该方法所采用的过氧乙酸由于其成本低、环保等特点,有望应用于膨胀石墨的生产。     

等静压石墨的生产工艺、主要用途和国内市场分析

介绍了等静压石墨的生产工艺,其中超细粉的制备、等静压技术、慢速焙烧等工艺环节是重点。并重点介绍了等静压石墨在单晶硅多晶硅、原子能工业、放电加工、金属连铸等领域的用途。分析了等静压石墨的国内市场情况。     

改性膨胀性石墨对硬质聚氨酯泡沫性能和胞体结构的影响

以改性膨胀性石墨和膨胀性石墨为添加剂制备复合聚氨酯泡沫材料,并表征了微观结构、表观密度、压缩性能、保温性能等。改性膨胀性石墨和膨胀性石墨物对材料的微观结构有很大的影响。加入改性膨胀性石墨可以有效提高材料的压缩模量,其压缩模量为143.58MPa,而膨胀性石墨的添加会降低材料的压缩模量,其压缩模量为106.62MPa,而没有添加膨胀性石墨的样品的压缩模量为为108.53MPa。改性膨胀性石墨和膨胀性石墨都可以提高材料的阻燃性能。     

黏结剂用量对炭-石墨材料的影响

在炭-石墨材料制备过程中黏结剂煤沥青用量对材料的各项性能有重要的影响。本文对不同黏结剂煤沥青含量的生坯微观结构,以及炭-石墨材料制备工艺的关键参数进行了研究,为炭-石墨材料的制备提供参考。     

实验探究膨化工艺对膨胀石墨性能的影响

本论文通过实验手段研究膨化工艺对膨胀石墨性能的影响,主要研究了热冲击强度(升温时间),保温温度和保温时间等三个因素。对膨胀石墨的吸附强度,微观结构表征,以及EG/PA制备复合相变材料导热能力测试,综合评价最优化膨胀石墨膨化工艺。     

高密度聚乙烯/石墨/碳纤维导热复合材料性能的研究

采用高密度聚乙烯(HDPE)、石墨、碳纤维制备高导热、高强度的复合材料。通过SEM照片考察高密度聚乙烯/石墨/碳纤维复合体系的微观结构;研究石墨及碳纤维的加入是否可以形成导热通道以及随着石墨的添加量的提高,复合材料的导热性能及其力学性能的变化。结果表明:当石墨的质量分数为60%,碳纤维的质量分数为5%时,复合材料的导热系数达到7.938 W/(m.K),是纯HDPE的20倍。     

石墨表面磁控溅射钛膜的结构与工艺参数研究

为解决石墨表面制备的不粘涂层结合力低的问题，可采用钛薄膜作为过渡层以提高结合力。本文采用磁控溅射技术在石墨基片表面制备钛薄膜，通过优化溅射工艺参数，提高钛薄膜的附着力。通过正交试验设计研究溅射功率、溅射气压和沉积时间对钛薄膜组织结构、表面粗糙度以及附着力的影响。利用扫描电镜（SEM）等分析了钛薄膜的微观形貌、物相结构及表面粗糙度，进行划格试验评估了薄膜的附着力。研究得到优化工艺参数为：溅射功率200 W，溅射气压1.2 Pa，沉积时间50 min。薄膜微观呈现岛状结构，颗粒尺寸约150 nm。钛薄膜为密排六方α-Ti结构，沿（002）晶面择优生长，这可能与石墨基体的片层状结构有关。溅射工艺参数的优化可以有效提高钛薄膜与石墨基体的附着力。     

高温石墨化对碳纤维结构的影响

使用高温石墨化炉对实验室自制的高强中模碳纤维进行连续石墨化处理,制备得到了强度4.86 GPa、模量541 GPa的高强高模碳纤维,并详细研究了石墨化处理过程中主要工艺参数对碳纤维结构与性能的影响。研究结果探讨掌握了高温石墨化(2 500℃)处理前后碳纤维微观结构的演变规律。     

膨胀石墨压块的制备及其导热性能研究

为探索和优化微波法制备膨胀石墨及石墨压块成型工艺,利用激光粒度仪、扫描电镜对膨胀石墨及其压块的形貌、孔隙结构等微观结构进行表征,并进行正交试验分析研究了微波功率、微波时间、膨胀石墨粒径、压块成型压力、单次膨胀量等因素对压块导热性能的影响.结果 表明,微波功率和微波时间对压块导热性能有显著影响,功率过低和时间过短会导致石墨膨胀不充分,而功率过高和时间过长则会导致石墨蠕虫被过度灼烧而断裂,膨胀石墨粒径、压块成型压力、单次膨胀量对压块导热率无显著影响.依据实验和分析,以压块导热系数为目标确定了膨胀石墨压块最优制备条件:微波功率为700 W、微波时间为70 s、膨胀石墨粒径为80 ～ 100目、单次膨胀量为6.0g、压块成型压力为200 MPa,该条件下压块导热系数达到5.78 W/(m·K).     

炭材料热物理性能研究

炭材料宏观性能受微观组织多样性的影响表现出极强的多样性。实验制备几种模压炭材料，并对其热物理性能进行表征。结果表明，随着原材料中胶体石墨含量的增加，材料的电阻率下降，热导系数、热扩散率提高；材料的比热容、热导系数、线膨胀系数随温度升高而增大，热扩散率随温度升高而降低。研究结果还表明，用传统的石墨化度G参数表征多相炭材料石墨化度具有一定的局限性，而用G参数与衍射峰高相结合表征更能准确反映多相炭材料的石墨化特性。     

分段取样法研究改进Hummers法制备GO结构特性及其机理

氧化石墨烯(GO)制备过程调控及机理研究对其性能及其功能化改性具有重要意义。本文基于改进Hummers法制备GO,采用分段取样法提取主要阶段的中间产物;利用SEM、Raman光谱以及XRD、FTIR、XPS等检测手段表征分析各阶段产物的微观形貌、结构和成分,以探究GO制备机理,并采用TEM对最终制备的GO进行形貌表征观察,探究各阶段反应对GO制备的影响规律,以实现对GO氧化程度和结构的调控。研究结果表明：在浓H₂SO₄/KMnO4混合体系中,使用单一的浓H₂SO₄无法对石墨进行插层与氧化,KMnO₄是石墨氧化的必要条件;氧化阶段会形成大量的含氧官能团,导致石墨层间距进一步扩大。GO-1到GO-5阶段,氧化石墨的C/O从7.23降到2.03,氧化石墨片层间距从原始石墨的0.344nm增加到0.815nm,研究成果为GO的进一步改性与应用提供数据及理论支持。     

碳纤维微观结构表征： Raman光谱

Raman光谱作为材料微观结构表征的重要方法,其对碳材料的结构具有相当的敏感性,在0～3300cm^-1的波数范围内都有相当显著的谱峰响应。其中,理想石墨晶格面内CC键伸缩振动的G线和由无序结构引起的D线是认识碳材料纳米尺度结构特征的关键切入点。基于上述特征指标可以获得碳结构微观应力、晶态结构、石墨化度及结构不均匀性等一系列结构特征,是研究碳纤维微观结构及其形成、演变过程的重要技术手段。近年来,随着以“Mapping”技术为代表的系列新技术的成功应用,针对碳纤维微观结构的Raman光谱应用技术出现了一系列新的进展。本文以Raman光谱的碳纤维微观、介观层面的应用技术为切入点,综述了近年来Raman光谱在碳纤维微观应力/应变、晶态结构、石墨化度及结构不均匀性等方面的进展情况。     

化学插层自膨胀法制备膨胀石墨的工艺条件及其性能变化

在H2SO4-H2O2体系中,通过添加过硫酸钠(Na2S2O8)作为插层剂,成功制备了膨胀石墨.利用SEM、XRD、FTIR、Raman等对膨胀石墨样品的形貌、结构、官能团、结构有序度等进行了表征,并探讨了过硫酸钠用量对膨胀石墨的膨胀容、电导率的影响,结果表明:过硫酸钠对鳞片石墨有较弱的氧化作用及显著的插层膨胀效果,在...     

液相剥离石墨烯的制备及其电化学性能

在有机溶剂中超声剥离膨胀石墨制备单层和多层石墨烯,对其微观形貌和结构进行表征,采用四探针表征方法考察了溶剂、时间和还原剂对石墨烯电导率的影响,优化了制备工艺参数,分析了石墨烯的性能. 结果表明,以丙酮为分散剂时石墨烯导电率最高,可达219.09 S/cm,石墨烯具有良好的电化学性能,比电容达18.8 F/g,在pH=7的磷酸盐缓冲溶液中,在0.1 V电压下对Pb2+有灵敏的溶出峰,检出限位达0.05 mmol/L.     

特种石墨的分类、市场和生产

特种石墨的涵盖范围很广，电炭制品行业、天然石墨制品行业和冶金用炭制品行业对此有不同的理解和分类方法，就冶金用炭制品行业的习惯分类解释，特种石墨主要指高强度、高密度、高纯度石墨制品（简称三高石墨）。三高石墨从材料组织结构上可以分为粗颗粒、细颗粒和特细颗粒结构三种；从成型方法上区分主要有模压、挤压和等静压成型特种石墨三类，此外，振动成型也可用于生产特种石墨。高品质的特种石墨——各向同性石墨是用等静压工艺生产的。按其主要用途分类有：电火花加工用特种石墨；制作铸造模具用特种石墨；钢铁或铜、铝连续铸造用特种石墨；直拉单晶硅炉用或冶炼贵金属、高纯材料使用的高纯石墨；合成人造金刚石用石墨；火箭、导弹技术用特种石墨。     

碳包覆铁纳米金属颗粒的制备

以酚醛树脂为碳源,硝酸铁为催化剂大量制备碳包覆铁纳米金属颗粒。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等方法,分析和表征了产物的微观形貌和结构。结果表明：产物为纳米级的准球形碳一铁核壳结构,由同心碳纳米石墨壳层包覆纳米铁组成。产物外径30～100nm,碳层间距为0．34mm,与石墨层间距非常接近。