乙醇热解制备碳/碳复合材料反应及成碳机理研究

乙醇是一种高效的生物再生原料，已成功用于汽车燃料添加剂或替代品、制备纳米碳管的前驱体。但是国际上从未将其用于制备碳/碳复合材料。申请者于2007年开始将其用于热解制备碳/碳复合材料，其热解形成粗糙层热解碳的工艺参数范围大于目前已知的所有烃类前驱体，表明乙醇比烃类前驱体更易热解形成粗糙层组织的热解碳。针对此新发现，本项目提出对乙醇的高温热解及其热解碳的形成机理进行深入系统的研究，主要研究乙醇在不同热解温度及压力下的热解反应动力学，氧元素在乙醇热解中所起的作用，几种醇类前驱体在纤维预制体内的渗透和热解特征，乙醇热解产生的热解碳组织结构特征。本项目研究在化学气相渗透法制备碳/碳复合材料的前驱体选择方面，将前驱体种类从烃类扩展至醇类，突破了前驱体中对氧元素的禁忌，拓展了碳/碳复合材料的前驱体种类。由于在热解碳组织结构控制方面的优势，用于工业生产，可解决本领域内热解碳组织难以控制的国际性技术难题。

本项目针对以乙醇为代表的醇类的热解及成碳机理进行了深入研究。以乙醇为前驱体，使用CVI实验和化学反应动力学计算模拟相结合的方法，系统研究了温度、前驱体分压、滞留时间等因素对热解碳织构的影响规律。同时对相同条件下甲烷和乙醇的热解速率及形成的热解碳织构进行了对比。研究结果表明：乙醇作为前驱体的CVI工艺可以在1100-1200℃的温度范围内形成高织构热解碳，且力学性能优于甲烷在同等条件下热解制备的C/C复合材料。乙醇的热解速率显著高于甲烷。德国学者B. Reznik新提出的热解碳消光角测试方法能够实现更加准确的测量，但是其消光角的测量值小于传统方法。以正丙醇为前驱体，研究了CVI工艺过程中，预制体结构、温度及前驱体分压对致密化过程及热解碳织构的影响规律。发现热解炭表面存在纳米级的腐蚀坑，随着沉积温度的升高逐步减少消失，表明在醇类的沉积过程中，提高温度可以有效防止醇类中的O元素的腐蚀作用。使用乙烯和水的混合前驱体代替乙醇进行了CVI实验，发现O元素的腐蚀能力主要取决于温度而非O的存在形态。以正丁醇为前驱体，分别采用等温CVI及液相汽化法制备出C/C复合材料，研究了工艺条件对材料密度和热解碳组织类型的影响规律。在正丁醇为前驱体的CVI热解实验中发现了微米碳线和纳米碳线的形成。其形成于颗粒状的热解碳之间。使用正丁醇和二甲苯为前驱体进行CLVI工艺研究，对比研究了其与正丁醇前驱体的液相汽化工艺形成的材料密度、织构及性能。表明其形成的热解碳织构优于正丁醇前驱体。.通过该项目研究，发表论文27篇，其中SCI收录19篇，EI收录24篇，培养博士研究生4名，硕士研究生4名。