瀝青基碳及其復(fù)合材料制備與性能研究.pdf

1、納米金屬/碳復(fù)合材料是一種新型碳功能材料，由于其獨特的結(jié)構(gòu)和性能，有望在高密度磁記錄材料、氧化還原催化劑和生物醫(yī)用材料等方面獲得廣泛應(yīng)用。碳纖維及其水泥復(fù)合材料，除了具有優(yōu)越的力學(xué)性能，還具有良好的導(dǎo)電性，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和電磁波屏蔽等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。作為重油加工過程副產(chǎn)物的脫油瀝青是碳含量很高的復(fù)雜混合物，用其作原料制取高性能碳及其復(fù)合材料，可為擴(kuò)展傳統(tǒng)石油加工過程的產(chǎn)品鏈并實現(xiàn)資源的綜合利用提供新途徑。
　　 本論文創(chuàng)

2、新性的采用了以脫油瀝青(DOA)為碳源，利用低溫?zé)峤夥ê驼婵諢崽幚矸ê铣杉{米金屬/碳復(fù)合材料，研究了不同反應(yīng)條件下產(chǎn)物的形成規(guī)律，對其磁性能進(jìn)行了測試分析，重點討論了碳包覆金屬納米顆粒的生長過程，并提出可能的形成機理；論文同時以化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備的氣相生長碳纖維(VGCFs)作功能相，制備了VGCFs 水泥復(fù)合材料，研究了VGCFs的制備和分散工藝、VGCFs水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能，著重探討了其導(dǎo)電機理。
　

3、　 主要研究結(jié)果如下：
　　 1.通過低溫?zé)峤釪OA和二茂鐵的混合物合成了納米鐵/碳復(fù)合材料。結(jié)果表明，在450 ℃的反應(yīng)溫度下，隨著二茂鐵添加量的增加(10wt.[％]至30wt.[％])，產(chǎn)物的形貌由碳包覆納米鐵顆粒，逐漸向生成碳包覆納米鐵棒的方向發(fā)展，包覆結(jié)構(gòu)的金屬核主要是單質(zhì)α-Fe相，形成的碳基本為無定型結(jié)構(gòu)；碳包覆納米鐵顆粒的形成是基于一定壓力下，氣液兩相催化熱縮聚的原理，鐵納米顆粒對于芳烴分子的催化作用是基于溶解

4、析出機制。碳包覆鐵納米顆粒在1100 ℃進(jìn)行真空熱處理后，顆粒尺寸變大，碳?xì)佑蔁o定型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為類石墨化結(jié)構(gòu)。磁性能研究表明，碳包覆鐵納米顆粒以及炭化產(chǎn)物，都具有較高的矯頑力和較小的矩磁比值，呈現(xiàn)出一定的鐵磁性和順磁性的綜合磁性能。
　　 2. 以DOA為原料、二茂鐵為催化劑，采用CVD法制備出直徑分布在500nm～1.5μm之間、呈中空結(jié)構(gòu)的VGCFs；沒有催化劑參與反應(yīng)時，形成了直徑大約為1～2μm的碳微球(CMSs)；伴隨

5、VGCFs和CMSs的形成有大量DOA焦渣殘留。
　　 3. 以DOA基CMSs 或DOA 焦渣為碳源，微米鎳粉為金屬源，通過真空熱處理法，合成了微納米金屬/碳復(fù)合材料。結(jié)果表明，CMSs與鎳粉混合球磨6h 并1600 ℃真空熱處理的產(chǎn)物為碳包覆微米鎳金屬顆粒，粒徑200～400nm 范圍的金屬顆粒被30～100nm的碳層包覆著，碳層的石墨化程度較高，內(nèi)包金屬為單質(zhì)鎳；DOA 焦渣與鎳粉經(jīng)1800℃～2000℃真空熱處理合成了粒

6、徑10～30nm的內(nèi)包鎳納米碳洋蔥，產(chǎn)物為核殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)核為納米鎳金屬顆粒，表面包覆約5nm的碳層，包覆碳層晶化程度較高，兩種產(chǎn)物石墨化碳層的形成歸因于Ni3C的形成和分解。磁性能研究表明，兩種鎳/碳復(fù)合材料都具有較小的矯頑力和矩磁比值，呈現(xiàn)出一定的超順磁性能，屬于軟磁性材料。
　　 4.通過硬化試件電阻測試法和硬化試件斷面形貌法，從VGCFs水泥復(fù)合材料的電阻率及其變異系數(shù)和試件斷面掃描電鏡形貌等幾個方面著手，對三種制備工藝下V

7、GCFs在水泥基復(fù)合材料中的分散性進(jìn)行的研究表明，預(yù)分散法的效果最好，干混法與濕混法較差。
　　 5. 采用上述預(yù)分散工藝制備不同VGCFs 摻量的水泥基復(fù)合材料。
　　 結(jié)果表明，低含量VGCFs的水泥基材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能。在0～0.6％VGCFs的摻量范圍內(nèi)，隨著VGCFs 摻量的增加，水泥基復(fù)合材料的電阻率逐漸減小，抗壓強度逐漸增大。當(dāng)VGCFs 摻量為0.4[％]時，電阻率降低兩個數(shù)量級，從3.25