热解碳泡沫材料吸波机理研究

为避开高分子材料作为基体,进一步拓展碳系吸波材料在空间环境或仿空间环境中的应用,本工作提出了预制体法结合热解工艺制备热解碳泡沫吸波材料的新思路,采取从400℃到1 500℃的不同目标热解温度制备了一系列热解碳泡沫材料,通过对不同温度热解碳泡沫材料的傅里叶红外光谱、热重-差热、X射线衍射和电化学分析,明确了热解碳泡沫为半导体材料,其热解残余基团无序区造成的阈值效应、共轭效应和位阻效应抑制π电子离域移动,控制载流子浓度,进而影响热解碳泡沫材料的电磁性能。对不同温度热解碳泡沫材料电磁参数的测试表明,600~700℃热解的碳泡沫材料的介电常数实部和虚部大小适合,适合作吸波材料。

多尺度相增强碳泡沫复合材料的性能研究

以CNTs改性酚醛树脂为碳源,硼酸镁晶须(Mg_(2)B_(2)O_(5)w)、纳米ZrO_(2)为增强相,空心微球为分散相,制备了微纳米多尺度相协同增强碳泡沫复合材料。研究了微纳米相对碳泡沫的微观结构、力学性能、电磁屏蔽和热氧化性能的影响。结果表明,Mg_(2)B_(2)O_(5)w和ZrO_(2)对碳泡沫的性能起到协同增强效果。随着Mg_(2)B_(2)O_(5)w含量的增加,复合材料的力学性能先增大后减小,Mg_(2)B_(2)O_(5)w含量为6%(质量分数)的碳泡沫(6%CPF)力学性能最佳,压缩强度为15.4 MPa,比纯碳泡沫提高了111%。其电磁屏蔽性能随Mg_(2)B_(2)O_(5)w含量的增加逐渐提高;9 GHz下,含8%Mg_(2)B_(2)O_(5)w的碳泡沫,电磁屏蔽效能高达51 dB,较改性前提高了62%。6%CPF的耐高温氧化性能最佳,600℃等温氧化20 min,碳泡沫的质量损失由25%降低为15%;与改性前相比,耐高温氧化性能提高了40%。

碳微球/硼酸镁晶须混杂增强碳泡沫复合材料的性能研究

碳泡沫存在力学性能较差等问题,为改善其综合性能,以航空领域的应用需求为导向,以改性酚醛树脂为碳源,空心碳质微球为分散相,硼酸镁晶须(Mg_(2)B_(2)O_(5)w)为增强相,通过压塑成型–碳化工艺制备了碳微球/Mg_(2)B_(2)O_(5)w混杂增强碳泡沫复合材料。采用扫描电子显微镜、万能试验机等研究了碳质微球与不同质量分数的Mg_(2)B_(2)O_(5)w混杂增强下碳泡沫的力学性能、热氧化性能和电磁屏蔽特性。结果表明,受压过程中,Mg_(2)B_(2)O_(5)w起到裂纹偏转作用和弯弓效应,增加了裂纹扩展路径,Mg_(2)B_(2)O_(5)w与空心碳微球协同作用,提高了碳泡沫复合材料的抗压缩性能;当Mg_(2)B_(2)O_(5)w质量分数为2%时,复合材料的压缩强度达11.8 MPa,较纯碳泡沫提高了157%。碳泡沫复合材料在X波段的电磁屏蔽性能随Mg_(2)B_(2)O_(5)w含量的增加,亦提升明显。Mg_(2)B_(2)O_(5)w分散在基体及微球相表面,增加了复合材料内部的孔结构,延长了电磁波的传播路径,增大了复合材料对电磁波的吸收;当其质量分数8%时,复合材料的电磁屏蔽效能高达53.8 dB,较改性前提高了68%。Mg_(2)B_(2)O_(5)w具有优异的抗氧化性能,其分散在基体及微球相表面上,阻止了热氧与基体和微球相的接触,使复合材料的耐氧化性能提高;当其质量分数5%时,质量损失率为24%,复合材料的耐高温氧化性能最优,较纯碳泡沫提高了12.1%。

碳纳米管/碳泡沫复合材料的制备及其性能

为提高碳泡沫复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能,以硼酚醛树脂为碳源,碳纳米管(CNTs)为增强相,空心微球为闭孔相,利用压塑成型-碳化工艺制备CNTs/碳泡沫复合材料,并在其表面包覆镍层。采用扫描电子显微镜、万能试验机、网络矢量仪等,研究了CNTs含量对碳泡沫复合材料的微观结构、压缩性能及电磁屏蔽性能的影响。结果表明:CNTs均匀分散在微球相表面;当其质量分数为0.8%时,碳泡沫复合材料的压缩性能最优(19 MPa),较改性前提高了850%;CNTs作为纳米增强相,其自身的拔出断裂效应改善了复合材料的压缩性能。CNTs的引入,增加了该复合材料对电磁波的吸收损耗,其电磁屏蔽性能显著提高。改性后,其电磁屏蔽效能最高可达54 dB,较改性前提高了83%。

乳液聚合法制备的分级碳泡沫用于超级电容器的电极材料

分级多孔材料由于在超级电容器、吸附、催化和生物医学等领域的潜在应用而备受关注。因此,本章主要是通过微乳液聚合的方法,先预碳化合成碳材料,再通过化学活化的方法实现分级碳泡沫材料的制备。研究表明,在微乳液体系中,酸性条件下合成出来的碳材料与KOH活化比为1:3时获得的分级碳泡沫表现出较大的比表面积(1133.4 m2/g)以及较高的孔体积(0.96 cm3/g)。此外,在三电极体系、6 M KOH的电解液下,HCF-HCl-2在1 A/g的电流密度下表现出最大的比电容为214.8 F/g。并且在1 A/g的电流密度下循环1000圈后仍旧保持96.6%的比容量。说明了分级多孔碳电极材料是一种有前景的储能材料。

柔性传感多孔碳泡沫复合材料的制备及性能

为改善碳泡沫复合材料的性能,以低成本、短周期的一步碳化法制备了兼具柔性传感与超级电容器特性的三聚氰胺源多孔碳泡沫复合材料,研究了热处理温度对碳泡沫复合材料性能的影响。结果表明:碳泡沫复合材料为三维多孔网状结构,碳骨架在节点处部分呈凹形纤维状;经800℃热处理得到的碳泡沫复合材料比电容较大,为223.9 F/g,满足赝电容器电极材料的要求;经650℃以上热处理制备的碳泡沫复合材料灵敏度较好,将其作为压阻式传感器,可快速响应并精确分辨0.196~9.800kPa内的外部载荷。研究表明,制备的碳泡沫复合材料可以很好地应用于压应力传感器与超级电容器。

煤基碳泡沫/聚氨酯相变复合材料的制备及储热性能

以煤基碳泡沫(CCF)作为骨架材料来封装改性固-固相变材料聚氨酯(PU),并实现其功能化应用。使用场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射仪(PXRD)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热(DSC)分析仪、热导测试仪对所得到的复合材料(PU@CCF)进行结构和特性表征。结果显示,聚乙二醇(PEG-6000)与异氰酸酯(HDI)反应制备聚氨酯的最优摩尔比例为1:2,煤基碳泡沫可以很好地阻止聚氨酯从复合材料中泄露出来。相较于聚乙二醇,复合材料的导热率上升了54%,经过200次热循环,复合材料保持了良好的稳定性,而且其相变主体材料PU的过冷度降低了10℃以上。基于碳泡沫骨架良好的导电性,加载高于0.8V的低电压就可实现聚氨酯电热相变储能,在1.1V电压驱动下,其电热转换效率可达75%。该工作是目前报道的最低电压下可实现电热相变转换的复合功能材料,为实现低成本相变复合材料的制备与功能化提供重要参考。

碳泡沫的结构及其性能

综述了碳泡沫的发展概况,着重描述了碳泡沫的制备方法、结构特点及力学、热学性能,并介绍了碳泡沫在绝热材料、导电材料等方面的应用。

酚醛树脂为前驱体制备多孔碳泡沫材料

以液态酚醛树脂为前驱体,正戊烷为发泡剂,吐温80为匀泡剂,在高压釜中通过卸压发泡的方法制备了酚醛树脂泡沫,然后将其经1000℃碳化后得到碳泡沫。研究结果表明,所得的典型碳泡沫样品是一种以无定形碳结构为主的轻质多孔碳材料,密度约为0.15g/cm3。碳泡沫的微结构可以通过调节卸压速率而得到有效控制,当卸压速率为0.05MPa/min时,可以得到孔洞相互贯穿、平均孔径约为300μm且分布较为均匀、接点完好,韧带光滑的多孔碳泡沫。

正戊烷发泡法制备多孔碳泡沫材料

选择以间苯二酚和甲醛为原料,碳酸钠为催化剂合成的具有一定粘度的酚醛树脂为前驱体,正戊烷为发泡剂,吐温80为匀泡剂,采用常压物理发泡技术制得了碳泡沫.研究结果表明,所得碳泡沫是一种具有多孔网络结构的轻质固体炭材料,依据制备条件的不同,其密度在0.08-0.20 g·cm^-3之间.当控制前驱体酚醛树脂的粘度约为300 mPa.s,发泡剂的用量为V（正戊烷）∶V（酚醛树脂）=0.25,以及匀泡剂的用量为V（吐温80）∶V（酚醛树脂）=0.10时,可以制备出孔洞互相连通、韧带和接点（韧带连接处）完好的具有良好结构的碳泡沫.

碳泡沫导热性能及力学性能研究

用微胶囊化得到的空心酚醛树脂微球制备出酚醛泡沫材料,在Ar气的保护下进行1000℃碳化和2000℃的石墨化处理,得到所需的泡沫材料.研究了孔隙率、热处理温度等因素对碳泡沫导热性能的影响.结果表明:提高材料内部空心微球的比例可以降低材料的导热性能,得到低热导率的泡沫材料;而对于孔隙率接近的泡沫材料,降低材料内部的孔径可以起到降低材料热导率的作用;得到了密度为0.50g/cm^3,热导率为1.007W/m·K,压缩强度为8.82MPa的碳泡沫材料.

碳泡沫先驱体酚醛泡沫制备工艺研究

通过分析发泡剂、匀泡剂和固化剂的用量与酚醛泡沫密度及性能的关系,确定了制备酚醛泡沫的最佳发泡工艺。以苯酚和甲醛为主要原料,碱性催化合成改性酚醛树脂,再加入正戊烷、tween-80和20％硫酸等制备了酚醛泡沫。用红外光谱和数码显微镜等方法测定该泡沫的化学组成、泡孔结构、孔径分布及其他相关理化性能,结果表明,该工艺制备的酚醛泡沫具有优良的阻燃、隔热保温性能,是理想的碳化和石墨化用酚醛泡沫。

碳纤维添加碳泡沫的电磁屏蔽效能及力学性能研究

为了制备高效轻质兼备优异的电磁屏蔽性能及力学性能的复合材料,本研究以酚醛树脂为基体,碳纤维为填料,经高温碳化制得了碳纤维添加酚醛树脂基碳泡沫。探究了碳纤维含量对复合材料的结构、电磁屏蔽效能及力学性能的影响。结果表明,碳纤维可以有效改善碳泡沫的泡孔结构,当碳纤维含量为3wt%时,泡沫基体的泡孔达到小且均匀的状态,平均泡孔直径为150μm,同时碳纤维可以有效提高碳泡沫的电磁屏蔽效能,当碳纤维含量为3wt%时,复合材料的压缩强度和弯曲强度分别达到了4.41和3.85 MPa,比纯碳泡沫分别提高了60.3%和71.8%。当碳纤维含量为5wt%时,碳泡沫对频率为8~12 GHz的电磁波的平均屏蔽效能达到35 d B。

碳泡沫吸波性能的研究

制备了具有三维网络结构的泡沫碳材料并研究了其吸波性能。结果表明：碳泡沫的电导率随着其热解温度的提高而增加。碳泡沫的电导率对其吸波性能有重要影响。随着电导率从0．02S／cm提高到1．03S／cm，碳泡沫对入射电磁波从透波为主转变为反射为主，吸波性能先逐渐变好，然后又逐渐变差。对于1.0mm网孔尺寸、30％体积分数和15mm厚度的碳泡沫来说，电导率为0．46S／cm时具有最佳的吸波性能，在4～15GHz整个频段上的反射率均在-6dB以下，体现了宽频带的吸收特征。碳泡沫的网孔尺寸、体积分数和厚度均对其吸波性能有一定影响。

基于分形理论的碳泡沫有效导热系数研究

以煤焦油基中间相沥青为原料,在一定的温度和压力条件下升温发泡,然后再经碳化、石墨化便可以制得一种高导热系数的多孔材料——碳泡沫。应用分形理论讨论了这种新型多孔材料的导热特性,推导出了碳泡沫的面积分形维数,并在此基础上建立了石墨化碳泡沫材料的导热模型,采用热阻法导出了石墨化碳泡沫材料的等效导热系数的关系式,计算出了碳泡沫的有效导热系数,计算结果与碳泡沫样品的实测值基本一致,这种方法为更好地利用其优良的导热性能提供了理论基础。

碳泡沫材料及其在航天航空中的应用

综述了碳/石墨泡沫材料技术的进展。介绍了该材料的网状结构和多孔泡沫两种结构及其基本制备流程,给出了其性能特点和基本实验数据,讨论了具潜在可能的应用。分析认为:碳/石墨泡沫材料是一种在军事和航空航天等领域极具应用前景的新材料。

微球型碳泡沫复合材料力学性能的研究

为表征微球含量对碳泡沫复合材料的影响,以自制热固性酚醛树脂与不同体积分数的酚醛空心微球配比混合,采用模压成型法,制备酚醛泡沫材料;再将其在Ar气保护下高温碳化处理,得到微球型碳泡沫复合材料;研究碳泡沫复合材料的微观结构及空心微球的体积分数对碳泡沫的压缩性能、断裂韧性的影响。结果表明:随着空心微球含量的增加,复合材料的压缩断裂特征由梯度式脆性断裂模式向假塑性断裂模式转变,其断裂韧性也得到了明显改善;空心微球含量为80 vol.%的碳泡沫韧性最佳;适当提高空心微球含量,可改善碳泡沫的比压缩强度,空心微球含量为70 vol.%的碳泡沫的比压缩强度可达43.32 MPa·cm3·g-1。

绿色信贷政策如何影响企业债务融资成本?——兼论“碳泡沫”是否存在

运用双重差分法评估绿色信贷政策对企业债务融资成本的影响,分析了信贷市场是否存在“碳泡沫”。结果表明,在绿色信贷政策出台前,银行未充分考虑高污染企业可能面临的资产风险,未对其进行显著的歧视性定价,导致信贷定价存在“碳泡沫”;绿色信贷政策出台后,银行向高污染企业增加贷款利差,具有显著的融资惩罚效应;绿色信贷政策效应具有异质性,对不同企业的债务融资成本呈现显著的非对称性。

新型多孔碳泡沫材料的制备及其应用研究

碳泡沫材料不同于常规碳材料,是一种以碳原子相互连接成为骨架结构的轻质多孔固体材料,具有新颖的结构和形貌。空腔的结构包括五边形十二面体和球形等。由于具有独特的微观结构、较高的孔体积和较大的表面积以及优良的热导率和抗压性等特点,使其在众多领域里显示出潜在的应用价值,可应用于催化剂载体材料、复合材料和电化学等领域。因此,新型的碳泡沫材料及其应用研究迅速成为碳材料研究领域的热点之一。综述了新型碳泡沫材料的制备及其应用的研究进展,探讨了碳泡沫材料制备和应用方面所面临的实际问题以及今后在实际应用中的发展趋势和前景。

碳泡沫阴极电-Fenton深度处理造纸废水研究

本研究通过蔗糖发泡-碳化工艺制备了碳泡沫阴极材料并应用于电-Fenton深度处理造纸废水。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)对碳泡沫阴极表面形貌和化学结构进行表征。以COD_(Cr)去除率为评价指标,考察了阴极材料、反应时间、初始pH值、Fe^(2+)投加量和电流密度对造纸废水深度处理效果的影响。结果表明,碳泡沫由大量孔洞结构堆叠而成,表面存在含氧官能团。反应时间180 min、pH值3、Fe^(2+)投加量0.5 mmol/L、电流密度200 mA/cm^(2)时,以碳泡沫为阴极的电-Fenton深度处理造纸废水的COD_(Cr)去除率最高,达到88.4%,相比常规碳毡阴极提高了1.3倍。以碳泡沫为阴极的电-Fenton深度处理造纸废水法具有良好的稳定性,10次循环的COD_(Cr)去除率均超过85%,效率降低率不超过5%。