新型碳化锆木质陶瓷的制备、微结构及性能研究

Woodceramics is a new carbon material with porous structure. It is made of wood or woody material impregnated with phenolic resin and then charring treated at high temperature. The poor mechanical strength of these kinds of ceramics is the major shortcoming which limits its application. In this project, a new organic zirconium-contained polymeric precursor will be prepared, thus zirconium carbide woodceramics will be fabricated through polymeric precursor impregnant and pyrolysis process, using this polymeric precursor as impregnant and wood material as perform. Through molecular design and complexing to reduce the the Zr4+ metalion cross-linking reactivity, zirconium carbide polymer precursors with appropriate molecular weight distribution and linear structure will be synthesized, and the condensation- polymerization mechanism will be investigated. With studying the cracking behavior of the polymer and ZrC grain growth mechanism in the cracking process, optimizing the polymeric precursor impregnation and heat treatment parameters, high-performance ZrC woodceramic materials will be prepared. Also the influence of the ZrC shape, composition distribution and process parameters on the mechanical properties and electrical properties of this composite ceramics, will be investigated. The development of new ZrC woodceramic can effectively use wood waste, protect the environment, also can promote the development of functional carbon materials, so it has broad application prospects.

木质陶瓷是一种以木材或其他木质材料为原料，经树脂浸渍、高温碳化而形成的新型多孔炭素材料，由于其力学强度较差，限制了它的应用。本项目拟通过研究制备一种ZrC有机聚合物前驱体，以木质材料为模板，采用液相浸渍有机前驱体技术，制备出一种新型高性能碳化锆木质陶瓷材料。通过分子设计，藉由络合反应降低Zr4+金属离子交联反应性从而合成出具有合适分子量分布、线性结构的碳化锆聚合物前驱体，阐述其缩合-聚合机理；研究该聚合物的裂解行为及ZrC晶粒在裂解过程中的生长机理，优化该聚合物前驱体浸渍、热处理工艺参数；揭示ZrC形态、组成分布及工艺参数对复相陶瓷的力学性能、电学性能的影响规律与作用机制，从而制备出高性能的ZrC木质陶瓷材料。新型ZrC木质陶瓷的研制既可有效地利用废弃木材、缓解环境污染，又可促进功能性炭素材料的开发，应用前景广阔。

本项目以生物质材料（木材、中密度纤维板、玉米秸秆等）为原料，通过研究有机锆聚合物前驱体以及锆溶胶的合成，采用液相浸渍、高温裂解技术，制备出新型碳化锆木质陶瓷材料。采用一系列现代分析技术对碳化锆木质陶瓷的制备工艺、微观结构与性能进行了研究，成果为新型碳化锆木质陶瓷的开发提供了理论和实验依据，有望在催化剂载体、过滤材料和耐高温材料领域得到重要应用。. 通过分子设计，藉由络合反应降低Zr4+金属离子交联反应性从而合成出具有合适分子量分布、线性结构的有机锆聚合物前驱体，探索其缩合-聚合机理；研究其裂解行为及ZrC晶粒在裂解过程中的生长机理，优化该聚合物前驱体浸渍、热处理工艺参数；重点研究了ZrC组成分布、热处理温度、杂化材料增重率等工艺参数对木质陶瓷的力学性能、电学性能的影响规律。通过控制Zr4+的水解速率，制备出氧化锆溶胶，研究了螯合剂乙酰丙酮用量等影响溶胶形成的因素以及锆凝胶在热处理过程中结构的变化，进一步通过碳热还原反应制备了碳化锆木质陶瓷材料。. 碳化锆木质陶瓷由立方相ZrC和无定形碳组成，生成的木质陶瓷较好的保留了生物质模板的管状孔洞结构。揭示了木质陶瓷的形成机制，其主要与碳热还原过程中ZrO(g)和ZrCxOy(s)中间相的生成以及气固相反应机制有关。. 研究了材料的力学性能、电学性能与气孔率，发现木质陶瓷的力学强度均远远高于生物质炭模板强度，主要与纳米碳化锆的增强增韧机制有关。材料弯曲强度取决于炭模板结构和碳化锆含量，材料呈现脆性断裂特征，碳化锆含量对木质陶瓷电阻率影响显著，添加少量碳化锆可显著降低复相陶瓷电阻率。通过控制浸渍过程中材料增重率和热处理温度可以改变样品的气孔率，进而可以获得力学、电学性质不同的多种碳化锆木质陶瓷材料。