沥青基碳及其复合材料制备与性能研究

　　题名:沥青基碳及其复合材料制备与性能研究
　　作者:郁军
　　学位授予单位:太原理工大学
　　关键词:纳米金属/碳复合材料;;气相生长碳纤维;;碳纤维水泥复合材料;;脱油沥青;;碳功能复合材料
　　摘要:
　　纳米金属/碳复合材料是一种新型碳功能材料,由于其独特的结构和性能,有望在高密度磁记录材料、氧化还原催化剂和生物医用材料等方面获得广泛应用。碳纤维及其水泥复合材料,除了具有优越的力学性能,还具有良好的导电性,Rare earth magnets在结构健康监测和电磁波屏蔽等方面有着广泛的应用前景。作为重油加工过程副产物的脱油沥青是碳含量很高的复杂混合物,用其作原料制取高性能碳及其复合材料,可为扩展传统石油加工过程的产品链并实现资源的综合利用提供新途径。
　　本论文创新性的采用了以脱油沥青(DOA)为碳源,利用低温热解法和真空热处理法合成纳米金属/碳复合材料,研究了不同反应条件下产物的形成规律,对其磁性能进行了测试分析,重点讨论了碳包覆金属纳米颗粒的生长过程,并提出可能的形成机理;论文同时以化学气相沉积(CVD)法制备的气相生长碳纤维(VGCFs)作功能相,制备了VGCFs水泥复合材料,研究了VGCFs的制备和分散工艺、VGCFs水泥基复合材料的力学性能和电学性能,着重探讨了其导电机理。
　　主要研究结果如下:
　　1.通过低温热解DOA和二茂铁的混合物合成了纳米铁/碳复合材料。结果表明,在450℃的反应温度下,随着二茂铁添加量的增加(10 wt.%至30wt.%),产物的形貌由碳包覆纳米铁颗粒,逐渐向生成碳包覆纳米铁棒的方向发展,包覆结构的金属核主要是单质α-Fe相,形成的碳基本为无定型结构;碳包覆纳米铁颗粒的形成是基于一定压力下,气液两相催化热缩聚的原理,铁纳米颗粒对于芳烃分子的催化作用是基于溶解析出机制。碳包覆铁纳米颗粒在1100℃进行真空热处理后,颗粒尺寸变大,碳壳层由无定型结构转化为类石墨化结构。磁性能研究表明,碳包覆铁纳米颗粒以及炭化产物,都具有较高的矫顽力和较小的矩磁比值,呈现出一定的铁磁性和顺磁性的综合磁性能。
　　2.以DOA为原料、二茂铁为催化剂,采用CVD法制备出直径分布在500nm~1.5μm之间、呈中空结构的VGCFs;没有催化剂参与反应时,形成了直径大约为1~2μm的碳微球(CMSs);伴随VGCFs和CMSs的形成有大量DOA焦渣残留。
　　3.以DOA基CMSs或DOA焦渣为碳源,微米镍粉为金属源,通过真空热处理法,合成了微纳米金属/碳复合材料。结果表明,CMSs与镍粉混合球磨6h并1600℃真空热处理的产物为碳包覆微米镍金属颗粒,粒径200~400nm范围的金属颗粒被30~100nm的碳层包覆着,碳层的石墨化程度较高,内包金属为单质镍;DOA焦渣与镍粉经1800℃~ 2000℃真空热处理合成了粒径10~30nm的内包镍纳米碳洋葱,产物为核壳结构,内核为纳米镍金属颗粒,表面包覆约5nm的碳层,包覆碳层晶化程度较高,两种产物石墨化碳层的形成归因于Ni3C的形成和分解。磁性能研究表明,两种镍/碳复合材料都具有较小的矫顽力和矩磁比值,呈现出一定的超顺磁性能,属于软磁性材料。
　　4.通过硬化试件电阻测试法和硬化试件断面形貌法,从VGCFs水泥复合材料的电阻率及其变异系数和试件断面扫描电镜形貌等几个方面着手,对三种制备工艺下VGCFs在水泥基复合材料中的分散性进行的研究表明,预分散法的效果最好,干混法与湿混法较差。
　　5.采用上述预分散工艺制备不同VGCFs掺量的http://www.chinamagnets.biz/水泥基复合材料。结果表明,低含量VGCFs的水泥基材料具有优异的力学性能和电学性能。在0~0.6% VGCFs的掺量范围内,随着VGCFs掺量的增加,水泥基复合材料的电阻率逐渐减小,抗压强度逐渐增大。当VGCFs掺量为0.4%时,电阻率降低两个数量级,从3.25×105?cm降为1.49×103?cm,抗压强度提高28.8%,为最佳掺量。VGCFs水泥复合材料的导电性缘于VGCFs的电子导电和空穴导电,遵循隧道效应机制。
　　本研究为碳及其复合材料的研究提供了新的思路,对于碳功能复合材料的大量制备、促进其实际应用,以及扩展传统石油加工的产品链,实现资源综合利用都具有十分重要的理论和实际意义。
　　学位年度:2010