基于童亭煤疏中质组的薄壁泡沫炭制备及其结构与性能研究

摘要

以童亭煤全组分分离得到的疏中质组为原料，在常压、惰性气氛条件下采用自发泡法制备出薄壁泡沫炭，研究了发泡工艺条件和纳米氧化锆（Nano-ZrO2）添加量对初生泡沫炭（NCF）结构与力学性能的影响；在此基础上，分别考察了炭化、石墨化工艺条件对Nano-ZrO2改性前后炭化泡沫炭（CCF）和石墨化泡沫炭（GCF）的微观结构、微晶结构、力学性能、导电性能及隔热性能的影响。结果表明： 升温速率和发泡温度对NCF孔泡结构影响较大。制备孔泡分布均匀且孔径均一的NCF的较优条件为：升温速率5℃/min，发泡温度550℃，恒温时间1h，压片压力5MPa。 CCF的基本性质、力学性能及导电性能受炭化工艺条件的影响程度为：炭化温度＞恒温时间＞升温速率。优方案下制得的CCF在变形量为70％时（下同），抗压强度为0.6MPa，比强度为4.6MPa/(g/cm3)，电导率为9.2s/cm，热导率约为0.080W/(m·K)。 GCF的平均抗压强度为0.45MPa，平均比强度为3.33MPa/(g/cm3)；平均石墨化度为41.78％，电导率为31.8s/cm，导电性能较CCF显著提高；粉末状GCF热导率为0.082W/(m·K)，块状GCF热导率为0.059W/(m·K)，块状比粉末状GCF的隔热性能好。薄壁泡沫炭的平均壁厚为1~4μm。 随Nano-ZrO2添加量的增加，NCF的孔径变小，孔泡结构更加致密，力学性能提高，最佳添加量为15wt.％。较未改性CCF，添加15wt.％Nano-ZrO2的CCF力学性能明显增强，抗压强度达3.7MPa，比强度达9.0MPa/(g/cm3)，导电性能略降低，热导率为0.074W/(m·K)，隔热性能有所提升。添加15wt.％Nano-ZrO2的GCF抗压强度为1.3MPa，比强度为3.2MPa/(g/cm3)，石墨化度高达99.77%，电导率达到66.9s/cm，导电性能较未改性GCF大幅提升，热导率为0.077W/(m·K)。Nano-ZrO2改性泡沫炭平均壁厚增至2~5μm。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 泡沫炭的研究现状

1.2.2 泡沫炭的结构与性能

1.2.3 泡沫炭的制备方法

1.2.4 泡沫炭的改性

1.2.5 泡沫炭的应用

1.3 主要研究内容

2 实验部分

2.1.1 实验原料

2.1.2 原料性质

2.2 实验仪器及试剂

2.3.1 薄壁泡沫炭的制备

2.3.2 薄壁泡沫炭的Nano-ZrO2改性

2.3.3 表征方法

3 薄壁泡沫炭的制备及其结构与性能

3.1.1 升温速率对初生泡沫炭结构与力学性能的影响

3.1.2 发泡温度对初生泡沫炭结构与力学性能的影响

3.1.3 恒温时间对初生泡沫炭结构与力学性能的影响

3.1.4 压片压力对初生泡沫炭结构与力学性能的影响

3.2.1 正交试验设计

3.2.2 炭化泡沫炭的结构与性能

3.3 泡沫炭的石墨化

3.3.1 基本性质

3.3.2 微观结构

3.3.3 力学性能

3.3.4 微晶结构

3.3.5 导电性能

3.3.6 隔热性能

3.4 本章小结

4 Nano-ZrO2对薄壁泡沫炭的改性

4.1 Nano-ZrO2添加量对初生泡沫炭结构与性能的影响

4.1.1 基本性质

4.1.2 微观结构

4.1.3 力学性能

4.2 改性泡沫炭的炭化与石墨化

4.2.1 改性泡沫炭的炭化

4.2.2 改性泡沫炭的石墨化

4.3 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

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