纳米ZrO_2改性泡沫炭复合材料的制备与性能_赵建伟.pdf

第3 6卷第3期纺织高校基础科学学报V o l.3 6,N o.3 2 0 2 3年6月B A S I C S C I E N C E S J O U R N A L O F T E X T I L E U N I V E R S I T I E SJ u n.,2 0 2 3 引文格式:赵建伟,侯林伟,曹越,等.纳米Z r O2改性泡沫炭复合材料的制备与性能J.纺织高校基础科学学报,2 0 2 3,3 6(3):1 4-2 0.Z HAO J i a n w e i,HOU L i n w e i,C AO Y u e,e t a l.P r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f Z r O2 n a n o p a r t i c l e s m o d i f i e d c a r-b o n f o a m c o m p o s i t e s J.B a s i c S c i e n c e s J o u r n a l o f T e x t i l e U n i v e r s i t i e s,2 0 2 3,3 6(3):1 4-2 0.收稿日期:2 0 2 2-1 0-0 9 修回日期:2 0 2 3-0 2-1 6基金项目:陕西省科技厅重点研发计划项目(2 0 2 0 NY-1 5 4);陕西省教育厅重点科学研究计划协同创新中心项目(2 0 J Y 0 2 7);陕西省留学人员科技活动择优资助项目(2 0 2 1 0 1 4)第一作者:赵建伟(1 9 9 5),男,硕士研究生。通信作者:王斌(1 9 8 1),男,副教授,研究方向为泡沫炭复合材料。E-m a i l:w a n g b i n_1 1 2 01 6 3.c o m纳米Z r O2改性泡沫炭复合材料的制备与性能赵建伟1,2,侯林伟1,2,曹 越1,2,朱可修 1,王 斌1,2(1.西安工程大学 材料工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 4 8;2.西安工程大学 西安市纺织复合材料重点实验室,陕西 西安 7 1 0 0 4 8)摘 要 为改善传统泡沫炭的性能,以碳纳米管改性树脂为基体,纳米Z r O2粒子为增强相,通过压塑成形-高温热处理制得纳米Z r O2改性泡沫炭复合材料。采用扫描电子显微镜、万能试验机和网络分析仪研究纳米Z r O2含量对泡沫炭复合材料的微观结构、力学性能以及电磁屏蔽效能的影响;通过热常数仪研究改性前后泡沫炭复合材料的热导率,分析其高温传热行为。结果表明:纳米Z r O2粒子质量分数为5%时,泡沫炭复合材料隔热性能最好,8 0 0 下热导率仅为0.2 1 3 Wm-1K-1,较改性前降低了3 8.6%;其压缩强度和比压缩强度达到最大值,分别为1 1.6 MP a和2 3.7 MP ac m3g-1,较改性前分别提高了6 5.7%和5 1.5%。此时泡沫炭复合材料的电磁屏蔽效能在8.21 2.4 GH z下的均值为5 7 d B,较纯泡沫炭提升了7 4%。关键词 泡沫炭;纳米Z r O2;高温隔热性能;压缩性能;电磁屏蔽效能开放科学(资源服务)标识码(O S I D)中图分类号:T B 3 3 2 文献标志码:AD O I:1 0.1 3 3 3 8/j.i s s n.1 0 0 6-8 3 4 1.2 0 2 3.0 3.0 0 3P r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f Z r O2 n a n o p a r t i c l e s m o d i f i e d c a r b o n f o a m c o m p o s i t e s ZHA O J i a n w e i 1,2,HO U L i n w e i 1,2,C A O Y u e 1,2,ZHU K e x i u 1,WANG B i n 1,2(1.S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,X ia n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 4 8,C h i n a;2.X ia n K e y L a b o r a t o r y o f T e x t i l e C o m p o s i t e s,X ia n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 4 8,C h i n a)A b s t r a c t I n o r d e r t o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f t r a d i t i o n a l c a r b o n f o a m s,Z r O2 n a n o p a r t i c l e s m o d i f i e d c a r b o n f o a m c o m p o s i t e s w e r e p r e p a r e d b y c o m p r e s s i o n m o l d i n g a n d h i g h t e m p e r a t u r e h e a t t r e a t m e n t,w i t h c a r b o n n a n o t u b e s m o d i f i e d r e s i n a s m a t r i x,a n d Z r O2 n a n o p a r t i c l e s a s r e i n-f o r c e m e n t.S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e(S EM),u n i v e r s a l t e s t i n g m a c h i n e a n d n e t w o r k a n a l y-z e r w e r e e m p l o y e d t o i n v e s t i g a t e t h e i n f l u e n c e o f c o n t e n t o f Z r O2 n a n o p a r t i c l e s o n t h e m i c r o-s t r u c t u r e,m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d e l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f c a r b o n f o a m c o m-p o s i t e s,r e s p e c t i v e l y.T h e r m a l c o n d u c t i v i t i e s o f p u r e c a r b o n f o a m a n d m o d i f i e d c a r b o n f o a m c o m-p o s i t e s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y l a s e r-f l a s h t h e r m a l c o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n t,a n d t h e i r h i g h-t e m-p e r a t u r e h e a t t r a n s f e r b e h a v i o r s w e r e t h e n a n a l y z e d.R e s u l t s s h o w e d t h a t c a r b o n f o a m c o m p o s i t e s w i t h 5%Z r O2(i n m a s s f r a c t i o n)h a d t h e o p t i m u m t h e r m a l i n s u l a t i o n.I t s t h e r m a l c o n d u c t i v i t y a t 8 0 0 w a s 0.2 1 3 Wm-1K-1,3 8.6%l o w e r t h a n t h a t o f p u r e c a r b o n f o a m.I t a l s o e x h i b i t e d t h e m a x i m u m c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d s p e c i f i c c o m p r e s s i v e s t r e n g t h(1 1.6 MP a a n d 2 3.7 MP ac m3g-1)i n c r e a s e d b y 6 5.7%a n d 5 1.5%,r e s p e c t i v e l y,c o m p a r e d t o t h e p u r e c a r b o n f o a m.A n d i t a c h i e v e d t h e b e s t e l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n g p e r f o r m a n c e i n t h e r a n g e o f 8.2 t o 1 2.4 GH z,w i t h a n a v e r a g e v a l u e o f 5 7 d B,w h i c h i n c r e a s e d b y 7 4%t o t h a t o f p u r e c a r b o n f o a m s.K e y w o r d s c a r b o n f o a m;Z r O2 n a n o p a r t i c l e s;h i g h t e m p e r a t u r e i n s u l a t i o n p e r f o r m a n c e;c o m p r e s-s i o n p r o p e r t y;e l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s0 引 言 泡沫炭复合材料1-2是一种具有三维网络结构的轻质多孔材料,其机械性能、热性能、吸波性能和电磁屏蔽性能均优于许多传统材料。除了具有传统的泡沫炭材料的特性之外,泡沫炭特殊的力学性能和耐热性,可与金属与非金属结合,得到高性能的结构材料3-4,并且通过纳米颗粒增强可以进一步提高其力学性能5。泡沫 炭 复 合 材 料 是 由 树 脂 基 体(P I、P U、P F等)和中间沥青相基体经发泡-碳化工艺得到的一种闭孔型或开孔型硬质的多孔炭材料,具有轻质、耐冲击、高比表面积等优点,被广泛应用于航空航天、电磁屏蔽、隔热等领域6-9。研究表明泡沫炭的强度与其密度有关,但过高的密度会增加材料的质量,从而降低自身的优势1 0。有学者通过减小孔径提高泡沫炭强度,虽然其强度在一定程度上有所提高,但过程繁琐,制备周期增加1 1-1 2;另有学者将短切碳纤维1 3-1 4、硅铝酸盐1 5、Z r S i21 6、石墨纳米颗粒1 7等作为增强相引入泡沫炭体系中,以此来提高泡沫炭的力学和热学性能,但效果并不明显。纳米Z r O2具有抗热震性强、高强度、高韧性、化学稳定性好、材料复合性突出等特点,有着良好的应用前景。其纳米颗粒表现出高表面能、