Эффект β

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12287 (2022) Цитировать эту статью

726 Доступов

Подробности о метриках

Углеродные блоки высокой плотности обладают превосходными механическими, термическими и электрическими свойствами. В частности, эти блоки применяются в различных областях, сохраняя при этом отличные физические свойства даже в суровых условиях. В этом исследовании бессвязующий кокс, полученный при определенных условиях, использовался для формирования сырых тел (ГБ) при различных условиях давления от 50 до 250 МПа, а тела карбонизировались с образованием углеродного блока высокой плотности (УБ). Затем было рассмотрено влияние β-смолы и кислородных функциональных групп безсвязующего кокса на механические свойства углеродного блока высокой плотности в зависимости от давления формования. При формовании под давлением до 200 МПа большее влияние оказывает соотношение О и С (О/С), причем чем больше О/С, тем выше механические свойства. С другой стороны, при формовании при высоком давлении 250 МПа содержание β-смолы оказывает больший эффект и стабильно увеличивается, когда содержание β-смолы низкое и когда механические свойства достаточно снижены. В частности, в случае CB-N7A3–250, имеющего наибольшее содержание β-смолы – 3,7 мас.%, плотность составила 1,79 г/см3, прочность на изгиб – 106 МПа, твердость по Шору – 99 HSD.

Углеродные блоки высокой плотности намного легче металлов и обладают превосходными механическими, термическими и электрическими свойствами. В частности, они сохраняют превосходные физические свойства даже в суровых условиях, таких как сверхвысокая температура, высокое давление и химический состав. В результате углеродные блоки высокой плотности используются в автомобилях, самолетах, ракетах и ​​т. д., для повышения топливной эффективности, а также в различных теплорассеивающих материалах, теплоизоляционных материалах, материалах для защиты от электромагнитных помех (ЭМИ) и т. д. .на основе их превосходных электрических и тепловых характеристик1,2,3,4,5,6.

Сырье для производства углеродных блоков высокой плотности можно разделить на первичные и бинарные материалы по количеству. Во-первых, мезоуглеродные микрошарики (MCMB) являются типичным примером первичных материалов, которые представляют собой вещества, обладающие самосинтезацией и которые можно формовать без необходимости использования дополнительных связующих материалов7,8,9. Это связано с тем, что он содержит связующие материалы, называемые β-смолой. β-смола может быть определена по разнице в растворимости в зависимости от типа растворителя и обычно относится к разнице растворимости между хинолином и толуолом. Другими словами, вещество, растворимое в хинолине и нерастворимое в толуоле, называется β-смолой10. Эти вещества имеют жидкую фазу и могут заполнять пустое пространство между твердыми фазами и плотно скреплять их. Кроме того, во время спекания происходит объемная усадка, и плотность может увеличиваться11,12,13. С другой стороны, поскольку бинарные материалы не содержат β-смолы, связующие материалы абсолютно необходимы во время формования, а репрезентативные материалы включают высококристаллические углеродные материалы, такие как игольчатый кокс и графит14,15. Эти материалы карбонизуются, а затем пропитываются для улучшения их механических свойств3,8. Кроме того, для улучшения определенных физических свойств, таких как электропроводность и теплопроводность, добавляются углеродные нанотрубки (УНТ), углеродные волокна, технический углерод и т. д.16,17,18,19,20.

Используя это сырье, методом холодного прессования или горячего прессования получают сырое тело. Затем производят углеродный блок высокой плотности посредством процесса карбонизации при термообработке от 800 до 1500 °C и процесса графитации при термообработке при температуре более 2000 °C21.

Одной из самых больших проблем в процессе производства углеродных блоков является явление набухания22. Набухание происходит за счет быстрого выделения летучих веществ из зеленого тела и образования пор23. Из-за явления набухания увеличивается пористость и снижаются механические свойства. Поэтому было проведено много исследований, чтобы предотвратить эту проблему. Мочида и др. сообщили, что сырье перед формованием было окислительно стабилизировано, образец не деформировался даже при высоких температурах, летучие вещества были удалены так, что набухание было подавлено, а затем были выполнены формование и термообработка4,25,26,27. Кроме того, Рэган и др. окисленный игольчатый кокс с получением гидроксильной группы, карбонильной группы, карбоксильной группы и т. д., которые могут способствовать прочности связи, смешивают со связующим каменноугольным пеком и подвергают формованию и термической обработке. Затем сообщалось, что количество кислородных функциональных групп и количество ушедшего кислорода сравнивались по степени окисления игольчатого кокса, а высокие механические свойства проявлялись при формовании игольчатого кокса с наибольшим количеством кислородных функциональных групп28. Кроме того, летучие компоненты низкомолекулярных веществ можно удалить путем вакуумной термообработки29.