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毕业论文:催化炭化制备炭材料

发表时间:2013/8/21 7:50:01


大学学士学位论文
题目:催化炭化制备炭材料
院( 系 ) 材料科学与工程
专 业 高分子材料
班 级 2007级高分子(一)班

摘 要
炭材料具有极高的熔点、良好的热稳定性和高温力学性能、极低的热膨胀系数、且轻质、耐蚀、抗热震性好等优异性能。
添加氯化铝的煤焦油在不同催化剂含量、反应时间、反应温度下,得到一系列不溶于甲苯或吡啶的产物。利用SEM、TG、红外光谱、偏光显微镜等对所得产物进行表征和分析。结合现有理论,研究氯化铝作用下产物的性能。结果表明,在催化剂作用下,降低反应温度,增加反应速率,使生产效率提高。在性能测试方面也达到了预期的设计。
关键词:催化炭化;氯化铝;煤焦油;


Abstract
Carbon composite material of carbon has e*cellent performance, such as a e*tremely high melting point, good thermal stability, mechanical behavior under high temperature, e*tremely low coefficient of thermal e*pansion, the lightweight, corrosion resistance and the good thermal shock resistance etc.
Series of products can be get, not soluble in toluene or pyridine, when aluminum chlori
……(新文秘网https://www.wm114.cn省略1156字,正式会员可完整阅读)…… 
3
4.5 索氏抽提溶解 25
4.5.1数据记录 25
4.5.2对比分析 26
第五章 总结 27
参考文献 28
致 谢 31


第一章 绪论
1.1催化炭化
20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关[1-8]。炭/石墨材料作为重要的无机非金属材料,在整个材料科学中具有特殊的不可取代的重要地位。由碳元素组成的材料可包括地球上所有物质的性质,不同结构可能会表现出完全对立的性质,最硬-最软,绝缘-半导体-良导体,绝热-超高导热,全吸光-半透光-全透光,吸附性-掺杂性、插层性等[4-18]。新型炭材料具有密度小、强度大、耐高温、抗化学腐蚀、抗辐射、高导电、高导热、耐烧蚀、热膨胀系数小等一系列优异的性能,是军民两用的新材料,备受各国政府和工业界的重视,其发展速度十分惊人[1-18]。
目前,由于炭材料的优越性能和部分领域的不可替代性,炭材料的产品越来越受到广泛的使用。而传统工艺受_基反应活化能限制,针对制备炭/炭复合材料时间、成本高的缺点,采用液态催化剂(AlCl3)将稠环芳烃(煤焦油、煤沥青)连续催化炭化,增加炭化速率,调控材料微观结构。研究催化剂在不同制备工艺下材料的微观结构和性能之间的关系,为快速致密化制备高性能炭/炭复合材料提供理论依据。催化炭化制备炭材料的用途主要是制备炭/炭复合材料和各向同性石墨。
1.2炭/炭复合材料炭材料
炭/炭复合材料是指以碳纤维作为增强体,以碳作为基体的一类复合材料,作为增强体的碳纤维可多种形式和种类,即可以用短切纤维,也可以用连续长纤维及编织物,各种类型的碳纤维都可用于炭/炭复合材料的增强体。C/C复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员,具有密度低(理论密度最高为2.2g.cm-3)、高比强度比模量、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀等特点,尤其是其强度随着温度的升高,不仅不会降低反而还可能升高,它是所有已知材料中耐高温性能最好的材料。因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域【19-20】。
1.2.1致密化工艺
20世纪70年代是C/C复合材料在美国和欧洲得到了快速的发展,开发了碳纤维的多向编制技术,高压液相浸渍工艺以及化学气相浸渍(CVI)工艺,使C/C复合材料的性能得到进一步的提高。20世纪80年代以来,C/C复合材料在世界各国的研究都极为活跃,不断开发出新的工艺,在性能提高、快速致密化、抗氧化等研究领域都取得了很大的进展。
C/C复合材料的制备方法有很多,所用的原材料不同,C/C复合材料的制备工艺也各不相同如图1-1所示,归纳起来主要有浸渍、CVD(CVI)法、高压碳化法(PIC)及粉末烧结法等。浸渍法相对而言设备比较简单,而且这种方法适用性也比较广泛。它的缺点是要经过反复多次浸渍碳化的循环才能达到密度要求。CVD(CVI)法是直接在坯体孔内沉积碳,以达到填孔和增密的目的。

图1-1


1.3中间相炭微球
沥青类化合物热处理时,发生热缩聚反应生成具有各向异性的中间相小球,把中间相小球从沥青母体中分离出来形成的微米级球形碳材料就称为中间相炭微球( Mesocarbon microbeads,简称MCMB)。20世纪60年代,人们在研究焦炭形成过程中发现沥青热处理过程中会发生
中间相转变,生成中间相小球,这些中间相小球通过长大、相互融并,最后形成中间相融并体。在1973年, Honda和Yamada把中间相小球从沥青母体中分离出来,并把分离出来的微米级球形材料称之为中间相炭微球。
中间相炭微球具有杰出的物化性能,如化学稳定性、热稳定性、优良的导电和导热性等,是一种新兴的具有极大开发潜力和应用前景的碳材料。从中间相炭微球出发可以制备高密度高强C/C复合材料、高性能液相色谱柱填料、高比表面积活性碳材料、锂离子电池负极材料等一系列高性能碳材料。从20世纪90年代开始,石墨化中间相炭微球作为一种主要的商用锂离子电池负极材料得到广泛应用,现在许多国家都实现了其工业化生产。

1.4催化炭化的目的及催化剂的选取
浸渍法和CVD法这两种方法都存在耗能高、费时、工艺复杂等缺陷,因此,开发出快速低成本的新路线制备炭材料至关重要。以上两种方法致密化炭材料均由在热引发裂解聚合等反应进行炭材料的致密化,该过程受_基反应活化能限制,因此存在耗能高、费时、工艺复杂等缺陷。如果采用催化剂降低反应体系的活化能,就能够降低反应温度、增加反应速率、增加炭化反应的可控性,该方法能够开辟出一条快速致密化制备炭/炭复合材料的新途径。
对于制备纳米炭材料来说,催化CVD制备各种纳米炭材料研究较深入,例如制备纳米碳管,纳米炭纤维等[21-25]。过渡金属催化制备炭/炭复合材料已有较多的研究[26-32]炭毡上负载镍,进行化学气相沉积,发现镍能够有效降低沉积温度并提高炭的沉积速率[26]。随后我国进行了较系统的研究[27-32]研究人员采用铁、镍等过渡金属催化剂,分别利用化学气相沉积工艺、化学液相气化沉积工艺对快速制备炭/炭复合材料进行研究。研究发现过渡金属粒子的存在可有效提高热解炭的沉积速率,催化制备较高密度的炭/炭复合材料,可得到不同形态的基体炭结构。
但是,采用过渡金属催化在600℃以上才能进行催化积炭,且易生成炭黑等对材料性能不利的产物,因此,需要开拓新的催化炭化体系。前人在研究沥青炭化的过程中,采用加入AlCl3或者HF/BF3有效提高聚合的反应速率。采用路易斯酸作为催化剂催化焦油、萘等制备中间相沥青的研究较多[33-38]。Mochida等利用路易斯催化剂催化萘、甲基萘、蒽等制备中间相沥青进行了大量的研究工作,研究发现利用路易斯酸作为催化剂进行萘等多环芳 ……(未完,全文共18053字,当前仅显示3247字,请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文:催化炭化制备炭材料》