中间相沥青基泡沫炭的制备、结构及性能

以萘系中间相沥青为原料,考察了发泡条件、炭化和石墨化工艺对所制泡沫炭结构和性能的影响.结合粘温曲线、TG-DTG热重曲线以及不同发泡条件下泡沫炭的表面形貌分析,其最佳发泡条件为:发泡温度600℃,升温速率5℃/min,发泡压力5MPa.石墨化升温速率越低越有利于泡沫炭石墨微晶的生长及压缩强度的提高,其中以5℃/min升温至2800℃并恒温30min所制泡沫炭的压缩强度达1.38MPa.     

中间相沥青基炭泡沫

1993年，在第21届国际炭双年度会议上。Hager等结合自己的一些前期研究工作通过模型分析预测了不同于以往的炭泡沫材料的韧带式网架结构的石墨化炭泡沫的存在。1998年，美国橡树岭国家实验室(ORNL)的炭材料研究人员James W．Klett在从沥青制备炭材料时偶然发现了一种石墨化多孔炭材     

中间相沥青基泡沫炭的制备与结构表征

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.     

中间相沥青基活性泡沫炭的制备及其电化学性能研究

以中间相沥青为前驱体,经自挥发发泡法、KOH活化法制备的中间相沥青基活性泡沫炭作为超级电容器电极材料。采用扫描电镜、X射线衍射和低温(77K)N2吸附法对中间相沥青基活性泡沫炭的表面形貌和微观结构进行表征。中间相沥青基活性泡沫炭的比表面积为2700m2/g,总孔孔容为1.487cm3/g。通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗测试,考察了中间相沥青基活性泡沫炭作为超级电容器电极材料的电化学性能。在电流密度为0.02A/g时,中间相沥青基活性泡沫炭的比容量为240.48F/g,能量密度为33.4Wh/kg;在电流密度为5A/g时,比容量为166.68F/g,具有良好的电化学特性。     

微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响. 结果表明: 基体炭在偏光显微镜下呈现出光学各向异性, 在SEM和TEM下呈片层条带状结构. 基体炭与纤维之间的界面不连续, 为“裂纹型”界面. 材料受载破坏时裂纹通过改变扩展路径而延缓其扩展速度, 在纤维-基体界面处以及基体炭层片之间引起滑移, 在断口形貌上体现出断裂台阶适中且与纤维拔出交替进行, 表现出韧性破坏的断裂特征. 材料具有较高的力学性能, 抗弯强度达到257MPa, 断裂韧性达到11.4MPa·m ^1/2.     

热解炭过渡层-中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜对具有热解炭过渡层的中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构进行了研究。结果表明:材料的基体由热解炭和中间相沥青炭组成,在偏光显微镜下均呈现出光学各向异性。材料内部形成了多层次的界面结构,热解炭与纤维的界面连续,界面层内的石墨微晶择优取向度较高,晶格条纹排列规整;中间相沥青炭与热解炭界面不连续,为"裂纹型"界面,界面层内主要为非晶态碳。材料中炭纤维、热解炭、中间相沥青炭的石墨微晶大小逐渐增大,择优取向度逐渐增高,晶格条纹的排列逐渐规整。片层条带状结构的中间相沥青炭以及材料内的微裂纹平行于炭纤维轴向。     

预氧化对中间相沥青泡沫炭结构和性能的影响机制研究

研究了预氧化对萘系中间相沥青的表面化学性质、族组成分布以及对泡沫炭的发泡条件、泡孔形成、孔结构及微结构的影响机制.当中间相沥青经210℃预氧化2h后,其喹啉不溶物含量增加32.3%,族组成分布变窄.在600℃/3MPa发泡条件下,所制石墨化泡沫炭的平均孔径、压缩强度分别为200μm、2.8MPa.     

炭泡沫的制备、性能及应用

炭泡沫是具有广阔应用前景的新型炭材料,自出现起就成为炭材料研究中的热点.以中间相沥青基炭泡沫为重点,介绍了炭泡沫的发展历史和研究进展,总结了现有炭泡沫制备技术,包括发泡剂发泡法、模板法、中间相沥青自发泡法和限空间法等,概述了炭泡沫的性能和应用前景,并展望了其发展方向.     

具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

采用液相浸渍-炭化和CVI复合工艺, 制备出在炭纤维和热解炭之间具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料, 借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了所制备的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能. 结果表明: 在偏光显微镜下中间相沥青炭的光学活性高于热解炭的光学活性, 中间相沥青炭在SEM和TEM下均呈片层条带状结构, 热解炭在SEM下呈“皱褶状”片层结构, 在TEM下为粒状结构; 在HRTEM下, 中间相沥青炭、热解炭和炭纤维的晶化程度依次降低. 在加载过程中, 材料内部多层次的界面通过改变裂纹扩展路径而延缓其扩展速度, 在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式, 纤维拔出长度适中, 材料表现出韧性破坏的断裂特征. 材料具有较高的力学性能, 抗弯强度达到244MPa, 断裂韧性达到9.7MPa·m^1/2.     

由中间相沥青制备泡沫炭:Fe(NO3)3的影响

以中间相沥青为前驱体制备高性能泡沫炭，在考察中间相沥青、Fe（NO3）3及其混合物热分解行为的基础上，着重研究了Fe（NO3）3对制备中间相沥青基泡沫炭的影响，揭示了Fe（NO3）3对泡沫炭孔泡结构的影响规律及其作用机制，初步研究了在泡沫炭炭化过程中形成的Fe／C之物相结构及其石墨化行为。结果表明，在不同的炭化温度下，Fe在泡沫炭中的存在形态各异；Fe物种的存在有利于提高泡沫炭的石墨化程度。     

煤焦油沥青制备中间相

煤焦油沥青在微型高压釜中、氮气氛下,通过改变反应温度和停留时间,制取了中间相沥青(MP)。采用FTIR、偏光显微镜、XRD和SEM对MP进行了表征,表明煤焦油沥青经脱氢缩合反应转变成MP。其最佳反应条件为400℃、7h。     

粒状增强体种类对沥青基炭复合材料性能的影响

采用普通液压机及新型的模压半炭化成型工艺,在大气环境下制备出了高密度、低成本、应用广的三种焦炭(冶金焦、沥青焦Ⅰ和沥青焦Ⅱ)颗粒增强的沥青基炭复合材料(简称PCCs).通过对PCCs材料先后进行快速焙烧处理,沥青浸渍-炭化致密化处理和高温石墨化(2373K)处理,制得了PCC材料的焙烧样品、致密化样品和石墨化样品.通过力学性能试验,SEM和XRD等方法,研究了增强体焦炭颗粒的种类对沥青基炭复合材料的体积密度和抗压强度的影响.结果表明:PCCs材料抗压强度的高低,除了与其体积密度相关外,还与其所采用的增强体焦炭颗粒的耐压强度、微观结构和表面状态有密切的关系.焦炭颗粒的耐压强度愈高、表面越粗糙、开孔孔隙越多,其对沥青基炭复合材料的增强作用也就越显著.无论PCCs材料是焙烧样品、致密化样品、还是石墨化样品,用磨碎冶金焦制备的PCCs材料的三种样品的抗压强度最大,用沥青焦Ⅱ制备的PCCs材料的次之,用沥青焦Ⅰ制备的CRPCC材料的最小.粒状增强体的种类对CRPCC材料的力学性能不仅具有非常重要的影响,而且其强度也具有一定的遗传性.     

沥青基炭纤维的制备及其表征

石油沥青在氮气氛中420℃热缩聚7h,制得软化点为295℃的炭纤维前驱体沥青.此前驱体沥青在单孔纺丝器中熔纺获得沥青纤维.将沥青纤维于空气中320℃稳定化处理,最后在氮气流中1000℃炭化制成炭纤维.应用SEM、TGA、FTIR和XRD对石油沥青、前驱体沥青、沥青纤维、预氧化纤维和炭纤维分别进行表征.发现:前驱体沥青中含有质量分数70.5%中间相组分,炭纤维具有径核结构,其最大抗拉强度为650MPa.     

中间相沥青不熔化纤维自烧结制备高传导性炭材料研究

以中间相沥青为原料,通过带形截面喷丝板进行熔融纺丝,对所获中间相沥青纤维进行适度氧化处理,而后通过热压工艺将氧化中间相沥青纤维进行无黏结自烧结成型,并借助红外分析和扫描电镜等手段研究了不同最终氧化温度对带状沥青纤维的官能团变化与由其自烧结制备高导热炭材料的成型性及性能影响。结果表明:经260℃不熔化处理的中间相沥青纤维热压成型,能获得具有高密度、高抗弯强度和高传导性的新型炭材料,所制备材料的密度高达2.16 g/cm3,抗弯强度达到125.9MPa,电阻率和热导率分别达到0.56μΩm和830W/(m.K)。     

On the use of mesophase pitch for the preparation of hierarchical porous carbon monoliths by nanocasting

Abstract

A detailed study is given on the synthesis of a hierarchical porous carbon, possessing both meso- and macropores, using a mesophase pitch (MP) as the carbon precursor. This carbon material is prepared by the nanocasting approach involving the replication of a porous silica monolith (hard templating). While this carbon material has already been tested in energy storage applications, various detailed aspects of its formation and structure are addressed in this study. Scanning electron microscopy (SEM), Hg porosimetry and N₂ physisorption are used to characterize the morphology and porosity of the carbon replica. A novel approach for the detailed analysis of wide-angle x-ray scattering (WAXS) from non-graphitic carbons is applied to quantitatively compare the graphene microstructures of carbons prepared using MP and furfuryl alcohol (FA). This WAXS analysis underlines the importance of the carbon precursor in the synthesis of templated porous carbon materials via the nanocasting route. Our study demonstrates that a mesophase pitch is a superior precursor whenever a high-purity, low-micropore-content and well-developed graphene structure is desired.     

从煤焦油硬沥青和苯基硅烷制备硅取代聚芳烃中间相的研究

采取软、硬二种沥青与一,二,四苯基硅烷混合物共炭化方式,考察了硅取代聚芳烃中间相的生成。该炭化过程在反应釜中进行,控制实验条件如下:氩气压强1MPa,温度440℃,热裂解时间5h～10h。研究表明:含2%元素硅的初始混合物,不生成硅取代中间相;添加1.0%和0.5%元素硅的硬沥青炭化时明显生成硅取代中间相,但不是单一相。热裂解残留物是硅取代中间相体和均匀分散其中的无硅中间相小球体构成的复合相。     

Microstructure characterization and thermal properties of the waste-styrene-butadiene-rubber (WSBR)-modified petroleum-based mesophase asphalt

In this work, waste-styrene-butadiene-rubber(WSBR)-modified petroleum-based mesophase asphalt was prepared through a co-carbonization process. The influence of contents of WSBR and carbonization temperature on the properties of mesophase asphalt was investigated. The chemical constituents,microstructure and thermal property of the samples were characterized. The results show that using WSBR as modifier can significantly promote the formation of mesophase. When the temperature is constant, the addition of WSBR results in more optically anisotropic crystal structure in the samples, and a better thermal stability. When the content of WSBR is invariable, with increasing temperature, the content of anisotropic structure in mesophase asphalt becomes higher and more uniform. The thermal stability of the samples is the best when WSBR content is 10 wt%.     

中间相沥青熔融纺制异形纤维的研究

用热缩聚和催化缩聚两种不同工艺制备的中间相沥青及自行设计的五种喷丝板,熔融纺制出中空、条形、Y 形和圆形截面的沥青纤维。实验证明,沥青熔体的出口膨胀性是影响异形纤维特别是中空纤维纺丝成形的重要流变学参数。这一参数随中间相沥青的性质和熔体温度而变化,在较高温度下,沥青熔体的出口膨胀性减小,使得所纺制异形纤维截面的异形度降低。X 射线衍射分析结果表明,不同形状的喷丝板因其不同的当量直径,在纺丝时对熔体产生不同的剪切作用;当量直径越小,剪切作用越强,沥青分子沿纤维轴的取向度越高,因此可使其炭纤维的力学性能提高。