木质陶瓷及其金属化的制备工艺和性能研究

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随着材料科学的发展,可再生生物资源在高性能复合材料制备中的作用越来越大。木质陶瓷是将木质材料为主要原料经过适当的物理、化学反应等过程后,制备得到碳、碳化物、氧化物陶瓷及其陶瓷基复合材料。本文选取农业废弃物-甘蔗渣为主要原料,通过加热浸渍环氧树脂后热压成型,系统地研究了不同质量比m环氧树脂:m甘蔗渣=1:1,1:1.5,1:2,1:2.5时,烧结温度分别为800℃,900℃,1000℃和1100℃下制备的木质陶瓷。同时,为了改善木质陶瓷的强度,初步探索了将甘蔗渣、环氧树脂和Al粉混料后制备金属化木质陶瓷。利用热重-差热分析仪(TG-DSC)分析了木质陶瓷的热分解行为,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对木质陶瓷的表面形貌和相组成进行了表征。系统分析了原料配比和烧结温度对木质陶瓷的得碳率、体积收缩率、平面尺寸收缩率、厚度收缩率、体积电阻率和抗压强度的影响。重点分析木质陶瓷的孔径分布、摩擦学性能和摩擦磨损机制。同时,采用SEM、XRD对比分析了木质陶瓷和金属化木质陶瓷的微观结构和相组成,分析了两者的力学性能和孔径分布。研究结果表明:(1)首次采用环氧树脂和甘蔗渣复合制备了木质陶瓷,其具有生物管状的多孔结构。当环氧树脂和甘蔗渣质量比为1:1.5-1:2.5时,孔径分布曲线在2-4μm内出现峰值,孔径分布曲线为单峰结构;当原料配比为1:1时,木质陶瓷孔径分布曲线在3-6μm和10~20μm两个范围内有峰值出现,孔径分布曲线为双峰结构,木质陶瓷的总孔隙度随着甘蔗渣含量的增大而变大,随着烧结温度的升高而变大。当烧结温度为1100℃时,木质陶瓷含有较丰富的孔。(2)木质陶瓷在100℃前失重率约为10%,在100℃-1150℃失重率约为12%。烧结温度一定时,木质陶瓷的石墨化程度随着甘蔗渣用量的降低而提高;环氧树脂和甘蔗渣质量比为1:1-1:2.5,木质陶瓷的得碳率降低3%-6%,体积收缩率升高1%-1.3%,平面尺寸收缩率和厚度收缩率与甘蔗渣含量成正相关;甘蔗渣含量越高,木质陶瓷的体积电阻率变大,抗压强度越低;原料配比一定时,随着烧结温度的升高,木质陶瓷的石墨化程度提高;烧结温度每升高100℃,木质陶瓷的得碳率降低约1%~2%,体积收缩率升高0.5%-1%,平面尺寸和厚度收缩率与烧结温度正相关。烧结温度越高,木质陶瓷的体积电阻率降低,抗压强度提高。(3)木质陶瓷主要以磨粒磨损和粘着磨损为主。在相同摩擦条件下,木质陶瓷的摩擦系数随烧结温度升高而降低,随甘蔗渣含量升高而变大。摩擦系数随转速的增加而变大,随载荷的增大而减小。当环氧树脂和甘蔗渣质量比为1,烧结温度为1100℃时,摩擦性能最好。(4)首次采用先磁力搅拌,然后加入Al粉机械搅拌制备了金属化木质陶瓷。金属化木质陶瓷保留了木质陶瓷的部分孔洞,烧结时保温时间应控制在2h以内,防止Al3C4的生成。金属化木质陶瓷的孔隙度小于木质陶瓷的孔隙度,孔径分布的峰值分别为0.32μm和5μm。孔隙度降低和韧性相金属铝起到的桥接作用有效改善了金属化木质陶瓷的力学性能,金属化木质陶瓷的抗压强度比木质陶瓷的抗压强度最大能提高的10倍。
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