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。

中间相沥青基炭泡沫体的制备、结构及性能

以合成中间相萘沥青为原料，采用加压发泡法制备孔径均匀的初生炭泡沫体，经700℃～1000℃和2300℃～2800℃热处理制备出炭化和石墨化炭泡沫体；以700℃炭化处理所得的炭泡沫体作为芯材制成夹芯复合材料。研究了原料性能、发泡以及热处理工艺参数对炭泡沫微观结构和力学性能的影响，考察了炭泡沫体夹芯复合材料的微波吸收性能。结果表明：发泡过程中保持均匀的温度场是制备孔径均匀的炭泡沫体的关键因素，压力是影响孔结构的主要因素。炭泡沫体的微晶结构、力学性能以及微波吸收性能沿xy和XZ面方向（分别表示垂直和平行于重力方向）具有各向异性。

发泡压力对中间相沥青基泡沫炭结构及性能的影响

以AR中间相沥青为原料,在4、5、7、10MPa下用恒压自发泡工艺制备泡沫炭生料,经炭化、石墨化处理后分别获得炭化泡沫炭和石墨化泡沫炭。采用SEM和OM观察泡沫炭的微观形貌,采用XRD分析泡沫炭的晶体结构,并测定泡沫炭的压缩强度和热导率。结果表明:随着发泡压力的升高,孔泡变得均匀,韧带片层结构变得规则有序,但发泡压力增大到一定程度后,闭孔增多,韧带有序结构变差;当发泡压力为10MPa时,炭化和石墨化试样的压缩强度达到最大值,分别为8.16MPa和3.42MPa;当发泡压力为7MPa时,石墨化试样的热导率达到最大值,61.0W/(m·K)。

SiO_2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合材料的制备与表征

以正硅酸乙酯、乙醇和去离子水为原料,采用溶胶-凝胶法制备了SiO2溶胶;并以煤沥青为原料,采用自挥发发泡法制备了中间相沥青基泡沫炭。然后采用浸渍工艺将SiO2溶胶和中间相沥青基泡沫炭在常压下进行复合,制备了SiO2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合隔热材料。利用XRD、SEM、热导仪和万能试验机等设备分别研究了SiO2气凝胶、中间相沥青基泡沫炭以及SiO2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合材料的结构和性能。结果表明,所制备的复合材料具有一定的力学性能,同时其隔热性能优于单一泡沫炭的隔热性能,有望成为一种新型的隔热材料。

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。

制备工艺对中间相沥青基泡沫炭结构的影响

以煤沥青基中间相沥青为前驱体制备泡沫炭生料,经850℃和2300℃热处理分别得到炭化和石墨化泡沫炭,研究了发泡工艺参数和热处理温度对泡沫炭微观结构的影响。结果表明,较快的升温速率使泡沫炭易形成开孔型结构;随着压力的增大,泡沫炭的孔径减小、密度增大、孔隙率降低;经炭化和石墨化后泡沫炭孔径有所收缩,孔间的连通性增强;泡沫炭石墨化后孔壁及其韧带大部分转化成为高取向度的石墨晶体结构,微晶层间距和石墨化度分别为0.3376nm和0.733。

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.

发泡条件对中间相沥青基泡沫炭形成的影响

以石油系中间相沥青为原料,在不同发泡时间和压力、温度为440℃时发泡制得生料泡沫炭,经过氧化、炭化等处理得到了具有均一孔结构的泡沫炭。利用SEM观察孔结构并测定体积密度和真密度的方法计算出不同制备条件下所得到的泡沫炭的孔隙率的数据,发现泡沫炭的孔隙率与孔径主要受发泡压力的影响,可利用改变发泡压力的方法控制泡沫炭的孔结构。通过对泡沫炭生料进行氧化、炭化等后处理可有效地提高产物泡沫炭的密度、孔隙率和强度等材料性能。

中间相沥青基活性炭微球/聚苯胺复合材料的制备及其电化学性能研究

采用原位聚合法,以过硫酸铵为氧化剂,在比表面积为2945cm2/g的中间相沥青基活性炭微球(AMCMB)表面引发苯胺聚合,制备中间相沥青基活性炭微球/聚苯胺复合材料(AMCMB/PANI)。利用扫描电镜、X射线衍射和傅里叶变换-红外光谱分析,考察其微观结构和表面形貌;通过恒流充放电、循环伏安及交流阻抗测试,研究其在6mol/L KOH溶液中的电化学性能。在电流密度为0.02A/g时,AMCMB/PANI电极的比容量为387.72F/g,与AMCMB电极的比容量相比,提高了57.46%,说明少量聚苯胺的加入可以显著地提高电极材料的比容量;当电流密度增大1000倍时,AMCMB/PANI电极的比容量为157.68F/g,表现出好的大电流充放电能力。

石油系中间相沥青基泡沫炭的制备与结构研究

分别以中间相含量为100%和30%的两种石油系中间相沥青为前驱体制备泡沫炭,利用SEM、偏光显微镜观察泡沫炭的孔和孔壁等微观形貌,利用XRD分析石墨化泡沫炭的微晶结构。考察不同中间相含量前驱体的发泡性能,同时探讨了焦化手段对泡沫炭结构和性能的影响。结果表明,两种前驱体均能制备得到孔结构均匀、开孔率高的泡沫炭;100%中间相含量的前驱体相对更适合发泡;通过延长焦化时间可以优化泡沫炭结构、提高石墨化度,进而提高泡沫炭产品性能。

炭纤维粉改性中间相沥青基泡沫炭的结构与性能

以添加聚丙烯腈基炭纤维粉的萘基中间相沥青为原料,采用高温自发泡法制备泡沫炭,研究炭纤维粉含量和不同石墨化温度对泡沫炭的微观结构、力学性能和导热性能的影响。结果表明,添加炭纤维粉可明显改善泡沫炭的压缩强度和热导率。纤维粉与沥青炭界面的应力石墨化作用可提高沥青炭的微区石墨化度,使其石墨微晶尺寸增大,从而泡沫炭的热导率得以提高。当炭纤维粉质量分数为6%时,泡沫炭的压缩强度达最高为18 MPa,石墨泡沫的压缩强度和热导率分别为8.1 MPa和83.0 W/(m·K),较未添加炭纤维粉的石墨泡沫的热导率(39.2 W/(m·K))提高一倍。

由中间相沥青制备泡沫炭:Fe(NO_3)_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。

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.

中间相沥青的预氧化对石墨化泡沫炭微裂纹的影响

通过对萘系中间相沥青进行预氧化处理,研究族组成变化对石墨化泡沫炭微结构的影响机制。结果表明:中间相沥青经过预氧化处理后,喹啉不溶物含量提高、族组成分布变窄,导致石墨化过程中泡沫炭泡孔的孔壁、韧带处热应力的梯度差异变小,进而使得微裂纹的数量、长度及间隙减小。

超临界流体制备中间相沥青泡沫炭

以萘系中间相沥青为原料,利用超临界流体(Supercritical Fluid)作为发泡剂制备中间相沥青泡沫,经氧化炭化处理获得泡沫炭材料。通过分析中间相沥青的流变性能以及比较不同溶剂对中间相沥青的溶解性能,选择合适的超临界溶剂,可以制备出泡孔均匀,开孔率高的泡沫炭材料。研究了中间相沥青-溶剂系统的超临界状态下的发泡过程。考察溶剂比例、发泡压力、系统温度、压力释放速率等发泡条件对超临界流体制备中间相沥青泡沫炭的影响。

FCC油浆研制中间相沥青泡沫炭

以FCC油浆富芳油为原料制备中间相沥青基泡沫炭,在箱式电阻炉内800～1 400℃、通入1L/min氮气稀释空气的条件下,考察中间相沥青泡沫在炭化前后的SEM微观形态、表面官能团和XRD衍射图的变化情况,尤其是炭化温度的影响。结果表明:随炭化温度的升高,泡沫炭孔壁逐渐被破坏,晶格规整性得到改善;中间相沥青泡沫固化后,表面存在大量的C—H、CO和COO—基团,经过炭化后,COO—和C—H含量减少,O—H含量增加,在1 100℃以上继续炭化,泡沫炭表面的C—H,CO,O—H,COO—基团含量变化较小。综合考虑泡沫炭的表面官能团、晶格参数和形态,确立适宜的炭化温度为1 100℃,在此温度下可以得到形貌较好、孔径为150～300mμ的泡沫炭样品,其晶体结构参数La,Lc,N,d002分别为2.5nm,2.31nm,10,0.347 6nm。

中间相沥青原料对泡沫炭结构及性能的影响

考察了萘系和煤系中间相沥青原料对发泡工艺及石墨化泡沫炭结构及性能的影响。由于萘系中间相沥青比煤系中间相沥青的平均相对分子量低且分布宽,两者的最佳发泡条件分别为600℃/5 MPa、600℃/1.5 MPa。流线型域状结构及圆盘状分子结构的煤系中间相沥青易于得到高热导率、高压缩强度的泡沫炭,所制煤系中间相沥青泡沫炭的热导率和压缩强度分别为33.4 W/(m.K)、1.28 MPa。

预氧化时间对中间相沥青及其泡沫炭的影响

对AR中间相沥青进行300℃预氧化处理,获得氧化沥青,以AR中间相沥青和氧化沥青为原料制备泡沫炭,采用氮/氧、碳/硫分析仪和热分析仪分析原料的元素含量和热分解过程,采用扫描电子显微镜观察泡沫炭的微观形貌,研究了300℃预氧化处理对AR中间相沥青元素和热重的影响机制.结果表明,AR中间相沥青经300℃预氧化2 h,4 h和6h后,沥青中氧元素含量由原来的0.85%增加到6.60%,10.47%和11.31%.AR中间相沥青经预氧化后获得了孔径较小的泡沫炭材料.当预氧化时间为6 h时,炭化和石墨化泡沫炭的压缩强度分别为12.07 MPa和9.06 MPa.

中间相沥青基炭泡沫材料有效导热系数表征方法研究

提出了一种基于中间相沥青基炭泡沫材料真实孔结构特点的数值模拟计算有效导热系数的方法。针对实际应用的中间相沥青基炭泡沫材料,通过高分辨显微CT扫描、压汞法、闪光法,分别对材料微观结构、孔隙率及孔分布、导热性能进行系统表征。采用三维重构、有限元仿真进行导热系数数值模拟计算有效导热系数并与实际测试结果对比。结果表明,有限元仿真计算的导热系数需引入孔结构修正系数,进而表征炭泡沫材料的有效导热系数。对于大尺寸中间相沥青基炭泡沫有效导热系数的表征,确定前驱体的导热参数,并结合孔结构的有限元仿真计算与孔隙率实测数据,可预估大尺寸炭泡沫样件的有效导热系数。