低密度纖維骨架增強泡沫碳的制備與結構性能演化
本文關鍵詞：低密度纖維骨架增強泡沫碳的制備與結構性能演化
更多相關文章： 碳纖維骨架 碳/酚醛復合材料 碳骨架增強泡沫碳 殘?zhí)柯?/b> 壓縮強度 熱導率
【摘要】：飛行器(導彈、火箭、飛船等)在熱焓低以及熱流密度較低的氣動熱環(huán)境下以較高的馬赫數(shù)長時間飛行,加熱時間較長,因此合適的熱防護系統(tǒng)對于飛行器的的成功運行起著至關重要的作用。本論文研究了低密度纖維骨架增強泡沫碳復合材料,以低密度、高孔隙率和低熱導率的碳粘結碳纖維骨架為基體,在骨架中浸漬酚醛樹脂,通過高溫裂解,制備出性能優(yōu)越的復合材料。本課題是采用了低熱導率的粘膠基碳纖維,將其與酚醛樹脂混合得到水性漿料,通過壓濾成型、固化、碳化等工藝流程制備了碳粘結碳纖維復合材料,制備出的碳粘結碳纖維骨架的密度在0.18~0.37g/cm3。由于材料在制備過程中加壓排水的方法會導致材料在結構上存在各向異性,面內方向纖維各項隨機分布,性能變化不是特別的顯著,而在厚度方向上短切纖維層狀形式分布,碳粘結碳纖維骨架的密度分別為0.188 g/cm3、0.193 g/cm3、0.257 g/cm3、0.364g/cm3,熱導率從0.064W/(m·K)增加到0.142 W/(m·K),材料的壓縮強度從1.39 MPa增大到4.07MPa,楊氏模量從12.3MPa增大到47.7MPa。采用真空浸漬方法在碳粘結碳纖維骨架中浸漬酚醛樹脂,經過固化、溶劑替換以及真空干燥等工藝流程制備酚醛樹脂浸漬碳粘結碳纖維骨架復合材料。材料的微觀結構與“霧凇”現(xiàn)象相似,由樹脂熱解碳連接的碳纖維與碳纖維之間之間填充大量的低密度、高孔隙率和低熱導率的酚醛樹脂。復合材料內形成狹縫孔,孔徑大小多集中再40nm左右,隨著碳骨架密度的增加,孔徑也是在逐漸減小的。復合材料的熱失重主要是分為三個階段,300℃以下,失重現(xiàn)象不明顯,主要是吸附水的蒸發(fā),同時伴隨少量的分子鏈破壞;300~800℃,質量變化較明顯,鍵能較小的一些元素逸出;800~1000℃,沒有明顯的質量變化,主要是碳的高溫熱解。碳骨架的密度越高,復合材料的熱失重速率出現(xiàn)減緩的趨勢。將酚醛樹脂浸漬碳纖維骨架復合材料在不同溫度(400℃、600℃、800℃、1000℃和1200℃)下裂解,材料熱解后產生小分子氣體(H2、H2O、CH4、CO),并獲得低密度碳增強泡沫碳復合材料。通過對XRD和拉曼的分析,隨著溫度的升高,材料的石墨化結構較為顯著。復合材料在1200℃的真空環(huán)境的炭化爐中裂解,對材料進行導熱性能和力學性能的測試,碳碳復合材料的密度0.251~0.376 g/cm3,熱導率從0.044W/(m·K)增大到0.211W/(m·K),壓縮強度從1.79MPa增大到7.32MPa,楊氏模量從34.8 MPa增大到630MPa。
【關鍵詞】：碳纖維骨架 碳/酚醛復合材料 碳骨架增強泡沫碳 殘?zhí)柯?/strong> 壓縮強度 熱導率
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V250
【目錄】：
- 摘要4-6
- Abstract6-10
- 第1章 緒論10-26
- 1.1 課題背景及研究的目的和意義10-13
- 1.2 輕質隔熱材料的分類13-20
- 1.2.1 氣凝膠14-15
- 1.2.2 石墨烯泡沫15-17
- 1.2.3 C/C復合材料17-19
- 1.2.4 纖維基隔熱材料19-20
- 1.3 燒蝕材料簡介20-25
- 1.3.1 燒蝕材料簡史20-21
- 1.3.2 酚醛樹脂21-24
- 1.3.3 酚醛樹脂浸漬碳燒蝕體24-25
- 1.4 本課題的主要研究內容和意義25-26
- 第2章 實驗材料及研究方法26-36
- 2.1 引言26
- 2.2 實驗藥品及儀器設備26-27
- 2.2.1 實驗所用原料和化學試劑26
- 2.2.2 實驗所用的儀器設備26-27
- 2.3 實驗方法27-29
- 2.3.1 碳粘結碳纖維骨架的制備27-28
- 2.3.2 酚醛樹脂浸漬碳粘結碳纖維骨架復合材料的制備28-29
- 2.3.3 酚醛樹脂浸漬碳燒蝕材料高溫裂解29
- 2.3.4 低密度纖維增強泡沫碳的制備29
- 2.4 材料的分析測試方法29-36
- 2.4.1 SEM掃描電子顯微鏡測試29-30
- 2.4.2 壓汞測試30-31
- 2.4.3 氮氣吸附脫附測試31-32
- 2.4.4 熱重分析(TG)32-33
- 2.4.5 X射線衍射(XRD)33
- 2.4.6 傅立葉紅外光譜測試(FTIR)33-34
- 2.4.7 拉曼光譜測試(Raman)34
- 2.4.8 熱導率測試34-35
- 2.4.9 壓縮力學性能測試35-36
- 第3章 酚醛樹脂浸漬碳纖維復合材料的微觀形貌與力-熱性能研究36-45
- 3.1 引言36
- 3.2 碳粘結碳纖維骨架的密度與微觀形貌36-37
- 3.2.1 碳粘結碳纖維骨架的宏觀密度分析36
- 3.2.2 碳粘結碳纖維骨架的微觀形貌36-37
- 3.3 酚醛樹脂浸漬碳復合材料的微觀形貌和物理性能研究37-44
- 3.3.1 酚醛樹脂浸漬碳纖維復合材料的密度分析37-38
- 3.3.2 酚醛樹脂浸漬碳纖維復合材料的微觀形貌38-39
- 3.3.3 酚醛樹脂浸漬碳纖維復合材料的孔結構分析39-42
- 3.3.4 酚醛樹脂浸漬碳纖維復合材料的熱穩(wěn)定性分析42-44
- 3.4 本章小結44-45
- 第4章 酚醛樹脂浸漬碳骨架復合材料高溫熱解45-51
- 4.1 引言45
- 4.2 酚醛樹脂浸漬碳骨架復合材料的微觀形貌45-47
- 4.3 酚醛樹脂浸漬碳骨架復合材料的XRD測試分析47-48
- 4.4 碳/酚醛復合材料的傅立葉紅外光譜和拉曼光譜分析48-50
- 4.5 本章小結50-51
- 第5章 低密度纖維骨架增強泡沫碳復合材料性能研究51-61
- 5.1 引言51
- 5.2 碳粘結碳纖維骨架材料的力-熱性能分析51-55
- 5.2.1 碳粘結碳纖維骨架材料的壓縮性能分析51-54
- 5.2.2 碳粘結碳纖維骨架材料的熱導率分析54-55
- 5.3 低密度纖維骨架增強泡沫碳復合材料的微觀形貌55-56
- 5.4 低密度纖維骨架增強泡沫碳復合材料的力-熱性能分析56-59
- 5.4.1 低密度纖維骨架增強泡沫碳復合材料的壓縮性能分析56-58
- 5.4.2 低密度纖維骨架增強泡沫碳復合材料的熱導率分析58-59
- 5.5 本章小結59-61
- 結論61-62
- 參考文獻62-67
- 致謝67
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，本文編號：592678
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