【摘 要】
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高强度石墨材料是一种极为重要的战略性基础材料,具有自润滑性能、易成型加工、良好的导热导电性能、热稳定性能以及化学性能稳定等优点,并且能够在非氧化性环境中承受3000℃左右的高温,因此可以作为在高温、高压等极端条件下使用的关键材料,已经被广泛应用在冶金、机械、电气、石油化工、半导体、核能和航天航天、国防等领域。目前,国产石墨通常引入金属元素来提高强度,这种方法不但降低了石墨的纯度导致其应用受到很大限
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高强度石墨材料是一种极为重要的战略性基础材料,具有自润滑性能、易成型加工、良好的导热导电性能、热稳定性能以及化学性能稳定等优点,并且能够在非氧化性环境中承受3000℃左右的高温,因此可以作为在高温、高压等极端条件下使用的关键材料,已经被广泛应用在冶金、机械、电气、石油化工、半导体、核能和航天航天、国防等领域。目前,国产石墨通常引入金属元素来提高强度,这种方法不但降低了石墨的纯度导致其应用受到很大限制,而且强度与国外高端石墨仍有不小的差距。除此之外,制备高强石墨材料通常需要至少2300℃的高温和长时间的保温处理,能源消耗大,时间成本高。因此,有必要寻找新的原料和工艺来制备高强度石墨块体。介孔碳独特的结构使其具有较大的比表面积和可调的孔径,同时具有较高的表面能,在降低烧结温度实现致密化方面有着显著优势,所以本论文采用介孔碳为原料烧结制备高强度石墨材料,期望通过本文的研究可以为制备高强石墨材料提供一种新的思路和技术路线。本文主要从介孔碳的合成、低维碳纳米材料复合和烧结工艺三个方面对基于介孔碳烧结制备低维碳增强石墨材料开展研究。首先采用不同乙醇比例和酚醛负载量合成了介孔碳粉体,利用放电等离子烧结（SPS）进行样品制备,并对得到样品的力学性能进行研究。在上述研究结果的基础上,采用液相分散法制备了低维碳纳米材料/介孔碳复合粉体,详细研究了碳纳米管、石墨烯和纳米金刚石不同复合量对烧结制备块体力学性能的影响。主要研究工作如下:（1）介孔碳粉体的合成、烧结及力学性能研究:首先通过改变乙醇比例和酚醛负载量等反应条件,采用溶剂挥发诱导胶束融合-聚集自组装方法合成了不同物性的介孔碳粉体,然后利用SPS在1800℃、80 MPa下烧结制备得到块体样品。系统研究了介孔碳粉体的合成条件对块体样品的物相组成、微观结构以及力学性能的影响。研究结果表明,当乙醇比例为0.75,酚醛负载量为1.6 g/g时,块体密度、显微硬度、杨氏模量和抗弯强度达到最大值,分别为1.54g/cm~3、0.08 GPa、13.12 GPa、20 MPa。（2）碳纳米管/介孔碳复合粉体的烧结及性能研究:采用上述优化后的工艺合成介孔碳粉体为原料,通过引入碳纳米管进行复合,主要研究了复合不同含量碳纳米管对块体力学性能的影响。研究结果表明,与纯介孔碳烧结后的块体相比,当碳纳米管含量为5 wt.%时,所制备的石墨块具有较高的力学性能,密度为1.56 g/cm~3,显微硬度、杨氏模量和弯曲强度分别为0.14 GPa、20 GPa、54 MPa,分别提高了74%,52%,170%。（3）石墨烯纳米片/介孔碳复合粉体的烧结及性能研究:采用上述优化后的工艺合成介孔碳粉体为原料,通过引入石墨烯纳米片进行复合,主要研究了复合不同含量石墨烯纳米片对块体力学性能的影响。研究结果表明,与复合碳纳米管烧结所得块体相比,当石墨烯含量为30 wt.%时,所制备的石墨块具有较高的力学性能,杨氏模量为17.3 GPa,密度、显微硬度和弯曲强度分别为1.68 g/cm~3、0.45 GPa、62 MPa,分别提高了8%,221%,15%。（4）纳米金刚石/介孔碳复合粉体的烧结及性能研究:采用上述优化后的工艺合成介孔碳粉体为原料,通过引入纳米金刚石进行复合,主要研究了复合不同含量纳米金刚石对块体力学性能的影响。研究结果表明,与复合石墨烯烧结后的块体相比,当纳米金刚石含量为30 wt.%时,杨氏模量为18.5 GPa,密度、显微硬度和弯曲强度分别为1.80 g/cm~3、0.8 GPa、80 MPa,分别提高了7%,78%,30%,特别是抗弯强度高于目前国产商业化石墨。
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