离子热法制备果糖碳气凝胶及其碳纤维复合材料研究

作     者：姜云聪 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈贵清

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：碳气凝胶 离子液体 纤维增强 

摘      要：碳气凝胶是具有气凝胶结构的碳材料,具有高比表面积、低密度、低导热率等优良特性,在轻质防热材料领域有着广阔的应用前景。通过引入碳纤维,制备碳纤维/碳气凝胶复合材料,既能发挥碳气凝胶的轻质、低导热系数等优良特点,又能发挥碳纤维的机械特性,改善碳气凝胶的力学性能。碳气凝胶及其纤维复合材料的主流制备工艺均采用酚醛树脂作为前驱体,虽然成本较低,但是原料不可再生,且对环境有一定污染。糖类是一类具有发展潜力的可再生绿色碳源。以糖类为碳源、采用水热法制备碳气凝胶的工艺已有长期的研究。离子热方法是不同于水热法的溶剂热方法。该方法溶剂选取范围广,具有良好的可设计性,在碳气凝胶制备方面研究较少,所制碳气凝胶多用于电化学领域。针对这一现状,本文以果糖为碳源,研究并改进碳气凝胶的离子热制备工艺,分析制备反应过程,调整工艺参数。结合离子热方法,以PAN预氧丝为增强材料,制备具有规则形状的碳纤维/果糖碳气凝胶,表征其压缩性能与导热性能。本文建立了铁基离子液体([Bmim]Cl/Fe Cl)和氰基离子液体([BCNmim]Cl)两种离子热反应体系。经离子热反应、溶剂替换、冷冻干燥、高温碳化等工艺,制备了具有介孔为主的多孔结构和纳米级颗粒的氮掺杂碳气凝胶。铁基离子热制备的碳气凝胶具有高达444 m/g的比表面积,得到气凝胶为碎块。氰基离子热制备的碳气凝胶比表面积介于200-400 m/g范围内,具有规则的圆柱外形。在两种体系中,反应时间延长与果糖用量提高,均会使凝胶网络趋于致密。水对[BCNmim]Cl的致孔作用有显著影响,含水量10 wt%的[BCNmim]Cl制备的碳气凝胶比表面积仅为23.3 m/g。选用短切PAN预氧丝为增强材料,分别在两类离子热反应体系中制备了碳纤维/碳气凝胶。铁基离子热制备的碳纤维/碳气凝胶基体开裂,靠纤维连接保持整体外形。氰基离子热制备的碳纤维/碳气凝胶具有规则的圆柱外形。对于氰基离子热体系,在单轴压缩测试中,纯碳气凝胶体现脆性特点,抗压强度可达0.927MPa,压缩模量可达9.7 MPa。采用纤维复合后,随着纤维用量提高或果糖用量降低,碳气凝胶破坏模式发生显著改变,压缩曲线逐渐平稳,表现出类似纤维质材料的特点。压缩破坏试样显示了纤维拔出、桥联等增韧机制。纯碳气凝胶导热系数很低,为0.0703 W/(m·K)。引入纤维复合后,材料导热系数仅有小幅提高,为0.0726 W/(m·K)。