Si掺杂煤沥青制备及其炭化产物抗氧化性能的表征

通过煤沥青甲苯可溶性组分与聚碳硅烷共混合低温裂解引入具有抗氧化性的Si杂原子,制备Si掺杂煤沥青在氩气氛中经过900℃处理得到炭化产物。采用FT-IR、XRD、SEM和TG-DSC手段对Si掺杂沥青炭化产物氧化前后抗氧化性能进行表征。研究表明:经过900℃处理得到的炭化产物β-SiC以微晶形式存在,其在900℃氧化后生成的SiO2不能有效地愈合氧化后产物表面的裂纹。该炭化产物在低于950℃氧化时,该炭化产物抗氧化性相对较弱,在950-1500℃温度范围氧化时,其抗氧化性相对较强。     

陶瓷前驱体配比对Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料抗氧化性能的影响

以SiC、ZrC、ZrB₂前驱体和二甲苯可溶煤沥青为原料共裂解制备了Si-Zr-B掺杂沥青, 掺杂沥青经共炭化、冷压成型以及高温热处理得到了Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料。采用XRD、SEM、EDS等手段分析了掺杂沥青基炭材料的组成和微观形貌, 并研究了其在1500℃静态空气环境中的氧化行为。结果表明, 随着SiC前驱体含量的降低, Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料的失重率呈现先减少后增大的趋势, 当原料中SiC、ZrC和ZrB₂前驱体质量比为1:2:1时, 所制备的样品具有较好的抗氧化性能, 它在1500℃氧化4 h, 失重为27.5wt%, 氧化深度为0.7 mm。在Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料表面氧化形成的致密的SiO₂-ZrO₂-B₂O₃玻璃态阻氧层可以有效降低氧化性气氛向材料内部扩散的速率, 提高其抗氧化性能。     

氧化处理对MCMB为基体的C/C复合材料性能的影响

以自烧结性中间相沥青炭微球(MCMB)为基体,以沥青基磨碎炭纤维为增强体,采用简单的氧化处理、混合、热压成型、炭化等工艺一步制备C/C复合材料。研究了MCMB氧化处理深度对C/C复合材料的密度、失重、体积收缩率、弯曲强度及断面形态的影响。结果表明:C/C复合材料的密度和体积收缩率均较无炭纤维添加的炭块有所下降,当添加的炭纤维氧化程度足够深时,炭材料的抗弯强度得到明显提高;随着MCMB氧化时间的延长,C/C复合材料的断面逐渐变得平整;经250℃氧化60 min的MCMB与硝酸90℃氧化10h的炭纤维混合,热压成型后1000℃炭化1h得到的C/C复合材料的密度可达1.64 g/cm3,抗弯强度可达72.0 MPa。与现行的制备C/C复合材料的方法相比,本技术具有工艺简单、制备成本低廉等特点,是一种具有很大发展潜力的制备高性能C/C复合材料的新方法。      

氮化硼掺杂石墨材料的抗氧化性能研究

以超细人造石墨粉和六方氮化硼(BN)粉为原料,SC煤沥青为粘接剂,采用热压成型法制备了BN掺杂石墨材料.研究了不同BN含量掺杂石墨材料在中温(600℃)和高温(900℃、1000℃)时的氧化失重行为,并对掺杂石墨材料氧化前后的微观形貌和结构进行了分析.结果表明,纯石墨材料的抗氧化性能较差,掺杂BN后其抗氧化性能得到明显提高,氧化失重大大降低,原因是BN在高温下氧化生成了晶态和玻璃态的氧化硼抗氧化保护膜.     

C/Si-C-N复合材料的制备及其氧化行为研究

采用CVI方法制备出了以Si-C-N陶瓷为基体以热解炭为界面的炭纤维增强陶瓷基复合材料(C/Si-C-N)。采用热重法研究了C/Si-C-N复合材料在空气中的氧化行为,并探讨了基体制备温度对复合材料抗氧化性能的影响。研究表明:不同温度下制备的复合材料,其氧化行为完全不同。高温下制备的C/Si-C-N复合材料其氧化失重随氧化温度的升高而持续增加;低温下制备的C/Si-C-N复合材料则其氧化失重先随温度的升高而增加,随后在800~1000℃之间随温度的升高而减小,接着又随温度的升高而增加。较高的制备温度可使复合材料在900℃以下温度区间的抗氧化性能得到提高,但却使900℃以上温度区间的抗氧化性能降低。     

沥青前驱体氧形态对其沥青与炭纤维性能的影响（英文）

以乙烯焦油分别在200、250、300℃常压蒸馏所制基本沥青为原料,采用空气吹扫法制备了相应的各向同性可纺沥青(P200AT,P250AT和P300AT),经炭化后制备了相应的炭纤维。通过元素分析、族组分、TG-MS、FT-IR、~(13)C-NMR、XRD和SEM等手段对沥青和纤维进行了相应的分析表征,探究了沥青的氧化行为,以及沥青前驱体氧形态对其沥青纺丝性能和炭纤维结构性能的影响规律。结果表明:不同蒸馏温度所制沥青具有不同的物性特征,显示出不同的氧化特性。P250AT的软化点、炭收率、含氧量和甲苯不溶物含量均高于其他两种沥青。FT-IR和~(13)C-NMR表明P250AT沥青前驱体的氧形态主要以C=O形式存在,且含量高于P200AT和P300AT。由于沥青前驱体引入了氧化交联所形成的氧分子结构抑制了沥青纤维在预氧化过程中氧的增量,从而减弱了纤维在低温炭化过程中气体的释放,提升了炭纤维的力学性能。因此,P250AT所制沥青基炭纤维表现出较高的拉伸强度(980 MPa)。     

以中间相沥青为粘结剂的低密度高导热炭纤维网络体的研究

以中间相沥青为粘结剂, 采用500 ℃低温炭化炭纤维, 经低压模压成型、炭化和石墨化后得到低密度高导热炭纤维网络体。与以1300 ℃炭化炭纤维为原料和以酚醛为粘结剂制备的炭纤维网络体进行了比较。对粘结剂炭收率(热重分析)、样品微观形貌(扫描电子显微分析)、石墨化度及微晶尺寸(X射线衍射分析)等进行了表征。研究结果表明: 由于高炭收率和高片层取向度的中间相沥青与500 ℃低温炭化处理炭纤维共同经历后续热处理时呈现出相近的热收缩率, 因而具备良好的相互粘结性和石墨片层铆接效应, 其制备的炭纤维网络体经石墨化后密度为0.317 g?cm ^-3, 由此制备的相变复合材料的面内热导率为19.30 W·m ^-1·K ^-1, 较纯相变材料(石蜡)提升了80倍, 明显高于以1300 ℃炭化炭纤维为原料, 以中间相沥青和酚醛分别为粘结剂制备样品的面内热导率(17.03和14.47 W·m ^-1·K ^-1)。     

包埋法制备SiC涂层内残留Si的高温抗氧化作用机制

采用包埋法在C/C基体上制备了SiC涂层, 借助X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对涂层的相组成及微观形貌进行了观察和分析, 研究了涂层在1500℃静态空气中的氧化行为, 并进一步阐述了涂层的抗氧化机制。结果显示: 包埋法制备的涂层由α-SiC、 β-SiC及游离Si组成, 经XRD半定量分析得到不同工艺制备的涂层中游离Si含量不同; 游离Si含量越高涂层越致密; 氧化性能显示涂层中适量的游离Si有利于涂层的抗氧化, 当涂层中游离Si质量分数为1.3%和2.9%时其抗氧化性能均较好, 在1500℃静态空气中氧化7 h失重率分别为0.19%和0.16%。      

溶剂抽提促进沥青纤维的不熔化及其炭化性

一、序制造沥青基炭纤维时,不熔化过程对沥青纤维的炭化性及石墨化性有很大影响。不熔化通常是通过空气氧化来达到,但由于沥青软化点的限制,只能在容许的低温下长时间进行,故效率极差。本研究用溶剂除去沥青纤维中的溶剂可溶分以促进纤维的氧化不熔化反应性,或者在不进行氧化不熔化时考察其炭化性。     

B-C掺杂SiC纤维的制备及其性能研究

以聚碳硅烷、聚硼硅氮烷和二甲苯可溶沥青为原料通过低温共混得到了一种B-C掺杂SiC前驱体, 再经熔融纺丝、预氧化以及高温热处理制得B-C掺杂SiC纤维。采用红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对B-C掺杂SiC前驱体及其纤维的组成和微观结构进行了分析和表征, 主要研究了热处理温度对纤维组成、结构、力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明: 硼的引入有效地抑制了高温热处理过程中SiC晶粒的长大, 提高了C掺杂SiC纤维的稳定性; B-C掺杂碳化硅纤维经1600 ℃处理后主要由β-SiC组成, 并含有少量的O、B和N。B-C掺杂SiC纤维抗氧化性能优于C掺杂SiC纤维, 这主要归因于掺杂纤维在高温氧化过程中形成的硼硅酸盐玻璃膜对其内部的沥青炭起到了很好的氧化防护作用。     

煤直接液化残渣制备中间相沥青炭纤维

中间相沥青炭纤维性能优异,但是高成本限制了它的大规模使用。尝试以煤直接液化残渣为原料制备中间相沥青炭纤维。一方面为开发低成本中间相沥青炭纤维提供原料;另一方面为煤直接液化残渣的高附加值利用拓宽了途径。通过热缩聚工艺得到中间相沥青,经过纺丝、预氧化和炭化制备中间相沥青炭纤维,验证煤直接液化残渣制备中间相沥青炭纤维的可行性。研究了中间相含量、软化点和挥发分含量对中间相沥青可纺性的影响。结果表明,以煤直接液化残渣为原料制备的中间相含量在70%以上、软化点高于300℃的中间相沥青具有较好的可纺性,纺制的炭纤维直径约为15μm,拉伸强度达到1 500 MPa,拉伸模量150GPa。     

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.     

石墨烯掺杂气相生长碳纤维中间相沥青基复合材料的性能研究

以鳞片石墨为原料采用Hummers法制备氧化石墨烯。以石墨烯掺杂的气相生长碳纤维(VGCF)、中间相沥青(MP)为原料,经低温热模压、炭化、石墨化处理制备高强度、高密度的石墨烯掺杂气相生长碳纤维中间相沥青基复合材料。采用扫描电子显微镜来观察样品的微观形貌;通过强力机、四探针测试仪等表征复合材料的性能。结果表明,随着石墨烯掺杂量的增加,复合材料的抗弯强度及导电性能先增大后减小。当石墨烯掺杂比例为9.09%时,炭化后复合材料的密度为1.646g/cm~3,抗弯强度为85.7MPa,电阻率为1.27×10~(-5)Ω·m。     

LTD型聚丙烯腈基炭布通过鉴定

LTD型聚丙烯基炭布,系低强炭纤维制品,是先采用聚丙烯腈原丝织布、后经予氧化,炭化处理制成。产品价格低廉,较用炭纤维编织或用予氧丝织布再炭化的炭布,成本约低50%,主要用于真空高温的隔热材料,特别是在1600℃以上时,保温效果更佳,节电效果显著;还可用于低温发热体,铸造冒口分隔材料;抗电晕材料等。     

航空刹车用自愈合抗氧化涂层的制备及性能

制备了一种具有自愈合功能的C/C复合材料抗氧化涂层,它主要由SiC和B4C、高熔点还原性氧化物等陶瓷细粉经简单工艺涂刷制成.通过动态氧气氛中的TGA试验、静态干燥空气中的氧化失重试验及扫描电镜、X射线衍射分析研究了其抗氧化和抗热震性能,试验结果显示,该涂层能承受1000℃以下40ml/min氧流量的动态氧化冲击;对应600～1000℃的静态氧化的平均氧化失重率介于10-8～10-6 g/(cm2·s)量级,涂层在1000℃以内的工作温度环境下具有良好的抗氧化能力;涂层试样经过10次热震循环后总的氧化失重为17.8%,在一定热循环范围内具有较好的抗热震性能;涂层试样的氧化失重率与氧化时间及热震次数具有非线性关系,表明该涂层具有自我愈合裂纹的功能.     

国内外动态

工业重油和沥青是石油炼制和煤炭加工的副产品,资源丰富、价格低廉,且炭化率高。以它为原料,沥青经调制、熔纺和不熔化及炭化处理,可制得价格低廉的沥青炭纤维。《通用级沥青炭纤维连续长丝研制》是国家“七五”重点科技项目;在实验室建成年产10吨炭纤维的原料调制和熔融纺丝的中试装置,用不熔化单元试验炉和炭化模试装置制备出性能优良的通用级沥青炭纤维连续长     

富氮多孔纳米炭纤维的制备及其用作超级电容器电极材料

以商业聚酰亚胺树脂为前驱体,经过静电纺丝和一步炭化制备出富含氮原子的纳米炭纤维,采用扫描电镜、低温氮吸附和XPS等手段对纳米炭纤维的结构进行表征,考察不同炭化温度下纳米炭纤维的孔结构与表面含氮官能团的演变。结果显示,所得聚酰亚胺纤维经过一步高温处理便可得到微孔发达且富含氮原子的纳米炭纤维。随着炭化温度的升高,纳米炭纤维的比表面积与氮含量均逐渐降低。700℃炭化得到的纳米炭纤维的比表面积达到447 m2/g、纤维平均直径为234 nm、表面氮含量达到4.1%。将所得纳米炭纤维直接用作超级电容器电极,采用循环伏安法、恒流充放电和交流阻抗对其电化学性能进行考察。所得富氮纳米炭纤维表现出优异的电容量和表面电化学活性,其比电容达到214 F/g,单位比表面的电容量达到0.57 F/m2。     

BN/SiC复合涂层改性炭纤维的吸波性能研究

以尿素、硼酸为原料, 采用浸涂工艺先在炭纤维表面制备BN涂层, 再以三氯甲基硅烷为前驱体, 采用化学气相沉积工艺在纤维表面沉积SiC涂层, 制得了BN/SiC复合涂层改性炭纤维。对BN/SiC复合涂层改性炭纤维的微观结构、抗氧化性能、介电性能及吸波性能进行了研究。结果表明: 炭纤维表面BN涂层的厚度约为0.1 μm, SiC涂层的厚度约为0.7 μm。炭纤维经表面BN/SiC复合涂层改性后, 抗氧化性能明显提高, 开始明显氧化失重温度从560℃提高到790℃, 最终氧化温度从780℃提高到1200℃以上; 且介电性能得到有效改善, 吸波性能显著提高。相比于未改性炭纤维, 厚度为2 mm的BN/SiC复合涂层改性炭纤维的最小反射率减小到-13.3 dB, 小于-10 dB的带宽增加至2.5 GHz。     

自由取向炭/炭复合材料的新型制备及工艺优化（英文）

采用在炭纤维束的内部浸润熔融沥青的传统方法制备得到的炭/炭(C/C)复合材料难以实现细旦化水平,这是因为单束丝中含有数千根丝,经浸渍后沥青附着,从而引起沥青局部渗出,以及因不均匀沥青稳定性而导致微观结构不均匀。本文通过稳定的中间相沥青和分散的短切炭纤维混合、热压和炭化过程制备出细旦化水平的C/C复合材料。探讨了工艺参数对中间相沥青残炭率的影响。通过残炭率/工艺时间、残炭率!(表观密度/实密度)来优化工艺参数。结果表明,通过此法得到了细旦化水平的中间相沥青与炭纤维复合材料。中间相沥青的残炭率随加热升温速率、沥青/炭纤维质量比的增加而降低;随热压压力而增加。在高压力和高质量比下,发生沥青局部渗出。通过调控得到最佳的C/C复合材料制备工艺参数为:热压压力15 MPa,升温速率0. 2℃/min及沥青/炭纤维质量比1∶1。     

炭/炭复合材料磷酸盐涂层的抗氧化性能研究

为防止飞机刹车副用炭/炭(C/C)复合材料在刹车过程中氧化失效,研究了以磷酸、氧化硅和磷酸盐等为原料所制备的磷酸盐涂层的抗氧化性能,结果表明:涂覆有涂层的C/C复合材料在700 ℃氧化66 h后,其氧化失重率仅为1.11%;涂层试样在1 200 ℃氧化5 min后,失重率不超过0.8%;经900 ℃、3 min←→室温、2 min 100次热震后,涂层试件失重率为1.6%.涂层与基体结合牢固,一直保持完好,没有剥落,说明该涂料具有耐高温、热稳定性好等优点,适合作为C/C复合材料表面防氧化涂层.