碳复合耐火材料中多壁碳纳米管的表面功能修饰、树脂催化裂解形成及其在高温下结构演变研究

碳复合耐火材料的发展方向是低碳化，而碳纳米管因具有卓越的力学性能，在增强增韧低碳系列耐火材料方面具有很好的应用潜力。本项目针对在耐火材料中引入碳纳米管时带来的分散性、高温环境下结构蚀变的问题，采取以下两种技术路线：1)通过接枝反应在多壁碳纳米管表面键连含硅陶瓷有机前驱体,形成致密的聚合物刷，提高碳纳米管与液态酚醛树脂的相容性并均匀分散，混练时引入材料基体后，在高温环境下聚合物刷将原位形成致密无机陶瓷涂层；2)通过在树脂中引入催化剂的形式原位催化裂解树脂形成碳纳米管，设计纳米管抗氧化剂体系，使之在随后高温环境下在纳米管表面形成涂层。开展碳纳米管表面修饰的物理化学条件、催化裂解酚醛树脂形成碳纳米管机理，高温下碳纳米管的界面特性和结构演变等研究，提出控制多壁碳纳米管的界面反应和优化其界面结构的措施，探明碳纳米管对碳复合材料的弹塑性行为和断裂过程的影响，为研制碳纳米管复合耐火材料提供理论基础。

碳纳米管具有卓越的力学性能，在降低碳复合耐火材料的碳含量和改善材料综合性能等方面具有很好应用潜力。本项目研究了高温复杂环境下多壁碳纳米管结构演变规律，探讨了多壁碳纳米管表面形成陶瓷涂层和催化裂解酚醛树脂形成碳纳米管的物理化学条件，阐明了碳纳米管复合耐火材料弹塑性行为。研究表明，高温复杂环境下，MWCNTs的结构演变主要与不同硅源作用下体系中Si(g)和SiO(g)的分压密切相关。通过接枝反应和高温处理在多壁碳纳米管表面生成了致密的SiCxOy陶瓷涂层，且该碳纳米管的抗氧化性和分散性得到显著提高。采用过渡金属元素的硝酸盐对酚醛树脂进行掺杂处理，经高温裂解后原位催化形成CNTs，为解决CNTs在碳复合耐火材料中使用成本和分散问题提供一条新的途径。MWCNTs的引入，提高了不同温度处理后材料的抗折强度、弹性模量和形变位移量等力学性能，同时材料热处理过程中PCS裂解在MWCNTs表面原位生成SiCxOy陶瓷涂层，阻止了MWCNTs的结构蚀变并提高了MWCNTs与基体之间的界面结合，进一步提高了材料的力学性能和抗氧化性。