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利用木材制备生物形态陶瓷材料是一种新颖的仿生技术。为充分利用木材的管状孔结构,获得高气孔率的多孔陶瓷,本文以椴木、橡木和松木为主要原料,利用多种方法制备木材陶瓷和多孔SiC为研究对象,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)和热重-差示扫描量热法(TGA-DSC)等技术手段系统研究了多孔陶瓷的制备工艺对显微结构、物相组成、物理化学结构和基本性质的影响规律,并对其反应机理进行了深入探讨。以椴木木粉和酚醛树脂为原料,采用真空/高压浸渍工艺制得木粉/酚醛树脂复合材料,经固化和高温真空碳化制成木材陶瓷。木材陶瓷呈现均匀连通孔的三维网络结构,处于无定形态的具有管胞结构的木炭颗粒表面及其管状孔壁表面被酚醛树脂生成的玻璃态碳所覆盖,含有C=C、C-O-C和C-H等化学键。随碳化温度升高,石墨化程度提高,具体表现在(002)衍射峰变窄增强。增加酚醛树脂用量可使结构更均匀,但对石墨化程度影响不大。木材陶瓷经熔融渗Si制成多孔SiC陶瓷,木材陶瓷显微结构得到了很好的保持。木材陶瓷向多孔SiC的转变使力学性能得到显著提高,而气孔率下降不大,弯曲强度和压缩强度分别从12.6 MPa和38.4 MPa提高到58.7 MPa和117.3 MPa,气孔率从56.3%降至41.7%。采用原位反应烧结工艺可以改善多孔SiC陶瓷的微观结构。为得到高度遗传木炭模板显微结构的多孔SiC,以椴木和橡木木炭为模板,在Ar气氛下渗入气相Si或气相SiO,制成多孔SiC陶瓷。气源种类对产物的物相组成有影响,以Si为气源时,产物几乎是纯β-SiC,而以SiO为气源时,往往会含有少量SiO2和Si杂质。影响多孔SiC弯曲强度和气孔率的主要因素是碳模板结构和气源种类,在相同的实验条件下,以Si为气源、橡木木炭为模板时,弯曲强度和气孔率分别为42.1 MPa和46.4%,而以SiO为气源、椴木木炭为模板时,其值分别为41.6 MPa和53.2%。为该反应过程建立了反应机理模型,讨论了渗入动力学特性。利用真空/高压浸渍工艺将SiO2溶胶渗入椴木和橡木木炭模板中,在Ar气氛下经碳热还原反应制成具有木材结构的多孔SiC。浸渍循环次数对SiC骨架的厚度和密度影响较大。产物由β-SiC和少量α-SiC组成。生成SiC的主要反应有两种,即SiO(g)与C(s)之间的气-固反应和SiO(g)与CO(g)之间的气-气反应,分别生成SiC的孔骨架和SiC晶须。以酚醛树脂/SiO2溶胶混合物为浸渍剂,松木木炭为模板,在Ar气氛下经碳热还原反应制成了具有复合孔结构的多孔SiC。其中,浸渍剂酚醛树脂/SiO2混合物的质量比、浸渍循环次数和反应温度对产物显微结构、物相组成、气孔率和力学性能有重要影响。碳模板向多孔SiC的转变使弯曲强度从16.4 MPa提高到42.2 MPa,气孔率从76.1%降至48.3%。为该反应体系建立了碳热还原反应机理模型。
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Degree: 工学博士
Mentor: 金志浩
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Year: 2004
Language: Chinese
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