碳纤维增强层状木材陶瓷的研究

摘要

本研究以松木粉炭粉和液化木材为基材，通过热压成型制备单层木材陶瓷预制件，在氮气气氛保护下高温烧结制备片状木材陶瓷基体材料，然后使用环氧树脂将基体材料与碳纤维叠加胶合制备碳纤维增强层状木材陶瓷。
　　研究发现，炭粉/液化木材质量比和烧结温度扮演着重要的角色，其对基体材料的基本性能有较大影响:随着炭粉/液化木材质量比的增加，碳得率增加，体积收缩率降低，同时表观密度也随之增加。但随着烧结温度的持续增加，碳得率和表观密度有降低的趋势。通过响应面法对基体材料的制备工艺进行优化发现:当烧结前密度、原料配比、烧结温度分别为1.1g/cm3、1∶0.8和1100℃时所获得的基体材料具有较高的成品率和较好的抗弯强度。同时，建立了响应面优化模型:Y=7.89+0.42A+0.85B+0.69C+0.54BC-0.54A2-1.4B2-0.89C2。
　　FTIR和XRD分析显示原料配比对基体材料的物相构成影响较小，但随着烧结温度升高，O和H等元素被逐步脱除，且较高的烧结温度有利于提高基体材料的石墨化程度;SEM观测发现基体材料能够部分保留木材原有的结构特征，增强型层状木材陶瓷的层状结构清晰，且在断裂过程中裂纹多在层间偏转。
　　碳纤维增强层状结构木材陶瓷的力学性能随着烧结温度的升高而增加，但当烧结温度超过1100℃和原料配比超过1∶0.75后，力学性能增加幅度表现为逐渐减缓。同时，与用传统方法制备的木材陶瓷相比，增强型木材陶瓷在力学性能方面提高显著:抗弯载荷由普通木材陶瓷的0.74MPa增至5.13MPa，提高了6.93倍;压缩载荷提高了10倍。同时，由于层状结构的存在和增强碳纤维的使用，使得断裂韧性远高于普通木材陶瓷，在本实验条件下提高了10倍左右。通过选择胶合压力、碳纤维型号、碳纤维分布角度为参考因素，设计正交试验，得到最佳制备方案为胶合压力为2.5MPa、碳纤维型号为3K、碳纤维分布角度0°。
　　本研究通过利用液化木材代替了传统热固性树脂而起到了环保和节约资源的效果，同时采用碳纤维和层状结构对木材陶瓷进行增强，使其力学性能得到有效的提高，尤其是断裂韧性得到了较大的改善。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 木材陶瓷概述

1．2．1 实木木材陶瓷

1．2．2 MDF木材陶瓷

1．2．3 层状木材陶瓷

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 国内外的相关研究

1．4．1 碳纤维增强材料

1．4．2 层状陶瓷材料

1．4．3 木材液化

1．5 存在的问题与不足

1．6 研究内容及创新点

1．6．1 研究内容

1．6．2 创新点

1．7 技术路线与研究方法

1．7．1 技术路线

1．7．2 研究方法

2 实验材料、方法与性能性能检测

2．1 实验材料与设备

2．1．1 实验材料

2．1．2 主要实验设备

2．2 探索性实验及实验设计

2．2．1 探索性实验

2．2．2 试验设计

2．2．3 工艺过程

2．2．4 炭粉／液化木材的热重分析

2．2．5 烧结工艺制定

2．3 增强型层状木材陶瓷的制备

2．3．1 单层基体材料的准备

2．3．2 增强型层状木材陶瓷的复合工艺

2．4 性能检测

2．4．1 碳得率和体积收缩率

2．4．2 表观密度

2．4．3 力学性能检测

2．4．4 其它性能表征

3 基体材料的性能与表征

3．1 基体材料的工艺优化与性能表征

3．1．1 烧结温度对碳得率和体积收缩率的影响

3．1．2 原料配比对碳得率和体积收缩率的影响

3．1．3 基体材料的表观密度

3．2 制备工艺对抗弯强度的影响

3．2．1 实验样品准备

3．2．2 测试方法

3．2．3 结果分析

3．3 工艺条件优化

3．3．1 响应面实验设计

3．3．2 实验结果分析

3．4 XRD分析

3．4．1 实验样品

3．4．2 结果分析

3．5 FTIR分析

3．5．1 实验样品准备

3．5．2 结果分析

3．6 SEM分析

3．6．1 实验样品

3．6．2 结果分析

3．7 本章小结

4 增强型层状木材陶瓷的基本结构与力学性能

4．1 基本结构分析

4．1．1 宏观结构

4．1．2 微观结构

4．2 结果分析

4．2．1 抗弯强度与弹性模量

4．2．2 抗压强度

4．2．3 抗拉强度

4．2．4 断裂韧性

4．2．5 增强效果的影响

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的主要学术成果

致谢