石墨泡沫制備及導(dǎo)熱性能研究.pdf

1、中間相瀝青基石墨泡沫是一種新型的功能性多孔材料,具有低密度、高孔隙率、高導(dǎo)熱、耐高溫、耐腐蝕,以及良好的電磁波吸收及屏蔽等性能,在重量敏感的航空航天、微電子及國防等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景,因而在其問世的近十幾年來,受到越來越多的關(guān)注和研究。然而對于這種高性能石墨泡沫的熱物理性能,特別是對于其孔隙結(jié)構(gòu)的隨機性對有效導(dǎo)熱系數(shù)所產(chǎn)生的影響方面,普遍缺乏研究,阻礙了其制備、性能及應(yīng)用研究的進一步深入。
　　 本文工作的主要目的是希望

2、能夠為目前正在進行的高性能石墨泡沫制備研究,特別是制備工藝參數(shù)與成型樣品孔隙均勻度的關(guān)系,乃至孔隙均勻度對導(dǎo)熱性能影響的研究,提供實驗、數(shù)值模擬和理論分析的研究結(jié)果,為非均質(zhì)泡沫材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測式的研究提供參考依據(jù),并為今后進一步開展高性能石墨泡沫及其他多孔泡沫材料的熱物性研究積累經(jīng)驗與條件。本文所取得的主要成果有:
　　 (1)在中間相瀝青基石墨泡沫的制備實驗中,運用試驗設(shè)計方法研究了工藝參數(shù)對石墨泡沫孔隙結(jié)構(gòu)的影響,指

3、出各工藝參數(shù)對成型樣品孔隙均勻度的影響顯著性依次為成型壓力、加熱功率(或升溫速率)、發(fā)泡溫度、發(fā)泡恒溫時間、焦化溫度和焦化恒溫時間,其中前3個參數(shù)的影響最為顯著；特別是成型壓力對石墨泡沫的孔隙分布均勻度有明顯的控制作用,較高的成型壓力可抑制氣泡過快產(chǎn)生和長大而使孔泡分布趨于均勻；接近發(fā)泡溫度時的升溫速率越高則成型壓力也應(yīng)隨之提高；對于低壓發(fā)泡工藝則應(yīng)非常緩慢地升溫以阻止氣泡過快生長而獲得孔隙結(jié)構(gòu)較均勻的石墨泡沫。
　　 (2)通

4、過對具有周期性孔隙結(jié)構(gòu)的FCC和BCC泡沫模型的數(shù)值模擬結(jié)果的分析,提出對于均質(zhì)泡沫介質(zhì),有效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測式方可表達為k*=(1-ε)1/C的形式,其中k*為相對有效導(dǎo)熱系數(shù),ε為孔隙率,C為孔形因子；C=0.67時的預(yù)測式k*=(1-ε)1.5較適用于具有“順排"特征的均質(zhì)泡沫材料,而C=0.77時的預(yù)測式k*=(1-ε)1.3則較適用于具有“錯排”特征的均質(zhì)泡沫材料。
　　 (3)通過對具有隨機性孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫模型的數(shù)值模

5、擬結(jié)果的分析,提出對于非均質(zhì)泡沫介質(zhì),有效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測式應(yīng)具有k*=f(ε,U)的形式,其中U為孔隙均勻度；孔隙分布越不均勻(U值越小),則微觀上導(dǎo)熱路徑越曲折,宏觀上導(dǎo)熱熱阻越大,有效導(dǎo)熱系數(shù)越小。
　　 (4)提出了一種研究非均質(zhì)泡沫材料導(dǎo)熱性能與孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系的2D模型,該模型包含2個可調(diào)節(jié)隨機參數(shù):孔隙位置隨機偏離因子a和孔隙尺寸隨機偏離因子6；并將ε和U作為實驗參數(shù)α和b的函數(shù),設(shè)計了較大樣本(110個模型)的FEM數(shù)

6、值模擬實驗,較系統(tǒng)地研究了泡沫介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的隨機性對有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響；結(jié)果表明:孔隙均勻度U是一個與孔隙率垌樣重要的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)；k*是ε的減函數(shù),U的增函數(shù)；k*=f(ε,U)的關(guān)系可表達為冪函數(shù)形式k*=Um(1*ε)n,其中指數(shù)m≥1且n≥1。
　　 (5)在中間相瀝青基石墨泡沫的制備中,可能因成型壓力與溫度的配合不佳而造成孔隙分布不均勻,還可能因原料顆粒的不均勻、雜質(zhì)的存在以及工藝參數(shù)的擾動等因素而造成孔隙結(jié)構(gòu)的隨機變