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基于分形理论的高性能碳泡沫制备及热性能研究

作　者: 王勇
导　师: 王依民
学　校: 东华大学
专　业: 材料学
关键词: 碳泡沫分形理论高强度导热系数金属催化
分类号: TQ127.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

碳泡沫是一种多孔轻质固态碳材料,它以碳原子为骨架,碳原子间相互堆积而成。碳泡沫有许多特性,如高温耐受性,热导可调性,电导可调性,以及较大的比表面积和开孔结构等,这使得它在许多领域都有广泛的应用价值,如热管理、微波吸收、超级电容器、航空航天领域、催化剂载体以及各类电极应用等。但是由于碳泡沫材料具有非规则的几何形态,对碳泡沫材料的热性能的研究一直是通过实验推导而非定量计算的方法来分析。同时要使得碳泡沫能在各种环境下有更广泛的应用,必须使得碳泡沫的强度足够高,热性能及机械性能达到可控。本论文基于分形理论,对碳泡沫的微观结构进行比较分析,在实验获取这种泡沫截面的基础上,采用计算机图像分析技术,基于分形理论对碳泡沫结构的分形特性进行了研究,计算了其剖面的分形维数,在此基础上,建立了一种基于分形的材料结构模型和简化的导热模型,并利用等效热阻法计算了其导热系数,从而定量地分析了泡沫热性能的影响因素。结果表明,该方法的计算值与报道的实测数据吻合,因此该分形模型是合理的。这种方法对多孔材料的热物理性能研究有一定的指导意义。为了使碳泡沫的性能更加完善,本文研究了高强度导热绝热可控碳泡沫的制备,比较了不同的前驱体结构对泡沫结构及性能的影响,通过添加蒙脱土,金属催化剂等改性物质,制备了高强度,导热绝热可控碳泡沫,并对其反应机理进行了详细的分析。这为碳泡沫更广泛的应用提供了基础。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-18
  1.1 碳泡沫材料简述  12-14
  1.2 中间相沥青基碳泡沫的制备  14-15
    1.2.1 中间相沥青的制备机理  14
    1.2.2 中间相沥青的制备方法  14-15
    1.2.3 碳泡沫的制备  15
  1.3 碳泡沫材料的应用  15-16
    1.3.1 作为热性能材料  15-16
    1.3.2 作为结构材料  16
    1.3.3 其他领域的应用  16
  1.4 研究意义及内容  16-18
    1.4.1 研究的背景和意义  16-17
    1.4.2 研究内容  17-18
2 碳泡沫材料的分形特性研究  18-34
  2.1 分形的定义  18
  2.2 分形的判定方法  18
  2.3 分形维数的定义  18-20
    2.3.1 相似维数DS  18-19
    2.3.2 容量维数DC  19
    2.3.3 豪斯道夫(Hausdorff)维数DH  19
    2.3.4 信息维数Di  19
    2.3.5 计盒维数Db  19-20
  2.4 分形理论的应用  20-23
    2.4.1 分形理论在摩擦学中的应用  20
    2.4.2 分形理论在疲劳断裂分析中的应用  20-21
    2.4.3 分形理论在故障珍断中的应用  21
    2.4.4 分形在物理学中的应用  21-22
    2.4.5 分形在化学中的应用  22
    2.4.6 分形在材料科学中的应用  22-23
  2.5 碳泡沫的分形研究  23-34
    2.5.1 自相似对称性  24-26
    2.5.2 碳泡沫的分形模型  26-28
    2.5.3 碳泡沫的分形维数计算  28-34
      2.5.3.1 试样制备  28
      2.5.3.2 Image-pro plus图像分析  28-34
3 碳泡沫导热系数的分形研究  34-54
  3.1 多孔介质概述  34-35
  3.2 多孔介质导热的研究现状  35-37
  3.3 常规导热分形分析方法  37-41
  3.4 碳泡沫的导热系数分形模型  41-42
  3.5 碳泡沫导热系数的分形计算  42-51
    3.5.1 碳泡沫沿垂直发泡方向(x、y轴)的导热系数计算  43-47
    3.5.2 碳泡沫沿发泡方向(z轴)的导热系数计算  47-51
  3.6 导热系数的影响因素分析  51-54
4 导热可控碳泡沫的改性研究  54-75
  4.1 碳泡沫制备前驱体的研究分析  54-56
    4.1.1 前驱体材料的选择  55-56
  4.2 不同前驱体对碳泡沫结构的影响  56-62
    4.2.1 萘基中间期沥青和煤基中间期沥青前驱体对泡沫结构的影响  57-62
      4.2.1.1 泡沫的准备  57
      4.2.1.2 碳泡沫的压缩强度分析  57-59
      4.2.1.3 碳泡沫的微观结构讨论  59-61
      4.2.1.4 结论  61-62
  4.3 导热绝热可控碳泡沫的制备及研究  62-75
    4.3.1 蒙脱土改性高强度绝热碳泡沫  62-66
      4.3.1.1 粘土改性碳泡沫的力学性能  62-65
      4.3.1.2 粘土改性碳泡沫的热性能  65-66
    4.3.2 金属催化剂催化高强度高导热碳泡沫  66-75
      4.3.2.1 碳泡沫制备及性能表征  66-68
      4.3.2.2 TDGF微观结构分析  68-69
      4.3.2.3 纯碳泡沫和TDGF的XRD分析  69-71
      4.3.2.4 金属催化石墨化机理  71-72
      4.3.2.5 耐乐强度和热导性分析  72-74
      4.3.2.6 结论  74-75
5 结论  75-77
参考文献  77-82
攻读学位期间的研究成果目录  82-83
致谢  83

基于分形理论的高性能碳泡沫制备及热性能研究

内容摘要

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