石墨泡沫制備及導(dǎo)熱性能研究.pdf

1、中間相瀝青基石墨泡沫是一種新型的功能性多孔材料,具有低密度、高孔隙率、高導(dǎo)熱、耐高溫、耐腐蝕,以及良好的電磁波吸收及屏蔽等性能,在重量敏感的航空航天、微電子及國(guó)防等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景,因而在其問(wèn)世的近十幾年來(lái),受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。然而對(duì)于這種高性能石墨泡沫的熱物理性能,特別是對(duì)于其孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)所產(chǎn)生的影響方面,普遍缺乏研究,阻礙了其制備、性能及應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入。
　　 本文工作的主要目的是希望

2、能夠?yàn)槟壳罢谶M(jìn)行的高性能石墨泡沫制備研究,特別是制備工藝參數(shù)與成型樣品孔隙均勻度的關(guān)系,乃至孔隙均勻度對(duì)導(dǎo)熱性能影響的研究,提供實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析的研究結(jié)果,為非均質(zhì)泡沫材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)式的研究提供參考依據(jù),并為今后進(jìn)一步開(kāi)展高性能石墨泡沫及其他多孔泡沫材料的熱物性研究積累經(jīng)驗(yàn)與條件。本文所取得的主要成果有:
　　 (1)在中間相瀝青基石墨泡沫的制備實(shí)驗(yàn)中,運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了工藝參數(shù)對(duì)石墨泡沫孔隙結(jié)構(gòu)的影響,指

3、出各工藝參數(shù)對(duì)成型樣品孔隙均勻度的影響顯著性依次為成型壓力、加熱功率(或升溫速率)、發(fā)泡溫度、發(fā)泡恒溫時(shí)間、焦化溫度和焦化恒溫時(shí)間,其中前3個(gè)參數(shù)的影響最為顯著；特別是成型壓力對(duì)石墨泡沫的孔隙分布均勻度有明顯的控制作用,較高的成型壓力可抑制氣泡過(guò)快產(chǎn)生和長(zhǎng)大而使孔泡分布趨于均勻；接近發(fā)泡溫度時(shí)的升溫速率越高則成型壓力也應(yīng)隨之提高；對(duì)于低壓發(fā)泡工藝則應(yīng)非常緩慢地升溫以阻止氣泡過(guò)快生長(zhǎng)而獲得孔隙結(jié)構(gòu)較均勻的石墨泡沫。
　　 (2)通

4、過(guò)對(duì)具有周期性孔隙結(jié)構(gòu)的FCC和BCC泡沫模型的數(shù)值模擬結(jié)果的分析,提出對(duì)于均質(zhì)泡沫介質(zhì),有效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)式方可表達(dá)為k*=(1-ε)1/C的形式,其中k*為相對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù),ε為孔隙率,C為孔形因子；C=0.67時(shí)的預(yù)測(cè)式k*=(1-ε)1.5較適用于具有“順排"特征的均質(zhì)泡沫材料,而C=0.77時(shí)的預(yù)測(cè)式k*=(1-ε)1.3則較適用于具有“錯(cuò)排”特征的均質(zhì)泡沫材料。
　　 (3)通過(guò)對(duì)具有隨機(jī)性孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫模型的數(shù)值模

5、擬結(jié)果的分析,提出對(duì)于非均質(zhì)泡沫介質(zhì),有效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)式應(yīng)具有k*=f(ε,U)的形式,其中U為孔隙均勻度；孔隙分布越不均勻(U值越小),則微觀上導(dǎo)熱路徑越曲折,宏觀上導(dǎo)熱熱阻越大,有效導(dǎo)熱系數(shù)越小。
　　 (4)提出了一種研究非均質(zhì)泡沫材料導(dǎo)熱性能與孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系的2D模型,該模型包含2個(gè)可調(diào)節(jié)隨機(jī)參數(shù):孔隙位置隨機(jī)偏離因子a和孔隙尺寸隨機(jī)偏離因子6；并將ε和U作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)α和b的函數(shù),設(shè)計(jì)了較大樣本(110個(gè)模型)的FEM數(shù)

6、值模擬實(shí)驗(yàn),較系統(tǒng)地研究了泡沫介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響；結(jié)果表明:孔隙均勻度U是一個(gè)與孔隙率垌樣重要的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)；k*是ε的減函數(shù),U的增函數(shù)；k*=f(ε,U)的關(guān)系可表達(dá)為冪函數(shù)形式k*=Um(1*ε)n,其中指數(shù)m≥1且n≥1。
　　 (5)在中間相瀝青基石墨泡沫的制備中,可能因成型壓力與溫度的配合不佳而造成孔隙分布不均勻,還可能因原料顆粒的不均勻、雜質(zhì)的存在以及工藝參數(shù)的擾動(dòng)等因素而造成孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)變