（材料学专业论文）沥青基碳材料浸渍碳化的数值计算.pdf

西北t 业大学博 。学位论文 摘要 碳碳复合材料的低成本制造已经成为人们共同关注的课题，因此，以煤沥 青为基体前驱体的低压浸渍碳化法制备碳碳复合材料的工艺依然具有潜力可 挖掘。计算机模拟技术已经在材料科学的许多领域成功应用，但是却几乎没有在 煤沥青浸溃一碳化中应用的报道。可能是由于煤沥青的具体成分不明、缺乏非平 衡中间态的数据和其特殊的平面芳环大分子结构。影响煤沥青浸渍一碳化的因素 很多，建立适当的统计模型对煤沥青浸渍一碳化进行数值计算，对优化工艺、评 价和设计原料、弄清演变机理、提高制备效率和产品质量具有重要意义。本文在 此领域进行了下列探索性研究： 通过对煤沥青中喹啉不溶物( q i ) 颗粒的受力分析，发现q i 滤饼的形成类 似于悬浮液的恒压过滤。对维球体堆积模型进行改进，并结合e n d o 等提出的 渗透系数方程，对已知q i 颗粒尺寸分布的沥青的滤饼渗透系数进行了计算，结 果与实验值接近。并定量计算了q i 颗粒分布对q i 滤饼的渗透系数的影响，结果 表明减小小颗粒含量或增大其直径都可以提高滤饼的渗透系数。 通过模拟渗透性实验，结合渗透性的理论计算，确定了增塑剂、絮凝齐和化 学改性剂对煤沥青渗透性的作用机理。增塑剂通过在煤沥青中不同极性的分子间 定向吸附，降低沥青的粘度来提高其渗透性。絮凝剂通过凝结小q i 颗粒形成较 大的凝胶束来提高沥青的渗透效率，与沥青的组分不发生化学反应，也不改变沥 青的粘度。改性剂与沥青中的低分子发生化学反应，增大了粘度，也增加了二次 q i ，前者对渗透不利，后者具有助滤作用，总体上使沥青渗透性大幅度降低。 在考虑q i 颗粒的尺寸分布、预制体的孔隙类型与尺寸分布的基础上，耦含 液体沥青在不同介质中的流动行为，建立了煤沥青浸渍工艺的数学模型。计算发 现闭孔难以被填充，浸渍效率主要由开孔浸渍效果决定，取得了与实验一致的结 果。讨论了沥青性能、工艺参数、预制体结构对浸渍效率的影响，为浸渍工艺优 化和原料设计提供了理论依据。 成功地采用分段连续反应动力学模型对改性沥青的t - g d t g 曲线进行拟合， 克服了单阶反应模型的不足。c o a t s - r e d f e m 方法计算表明，三种伪组分的表观活 化能和残碳率分别为3 6 8 0 7 k j m 0 1 、1 8 5 2 0 5 k j m o l 、6 5 8 2 8 k ，m o l 和2 0 5 、 7 2 2 、9 4 3 ，与甲苯可溶物、甲苯不溶而喹啉可溶物、喹啉不溶物的文献值 接近，并且每一种组分的热解都是一级反应。对加热速率分别为2 5 幻，m i n 、5 鼬n i n 和1 0 鼬n j n 的沥青热失重进行计算，其结果与实验数据非常接近。 在连续性二聚机理基础上，建立了煤沥青分子量分布的m o m ec a n o 模型， 摘要 计算了煤沥青等温热解的分子量分布结果，与文献中的数据吻合良好。4 4 0 时， 反应时间延长，低分子量物质热解减缓，而中等分子量组分反应速率增加。温度 从4 4 0 提升到4 5 0 ，加剧了煤沥青热解，其中中等分子量组分的反应速率提 高得更加明显。计算结果表明煤沥青分子量的一些参数如平均分子量、分子量分 散系数、分子量分布宽度等在碳化过程中存在遗传性。 联合煤沥青的热解动力学方程与气泡生长动力学模型，计算了沥青中由于挥 发分导致的气泡的生长过程，定性地解释了实验过程中的一些表观现象。尽管表 面张力、液体粘度和温度对气泡的生长都会产生影响，但挥发分的增加是决定气 泡生长动力学的主导因素。加热速率从2 5 协i n 升至l o 幻m i n ，气泡生长动力学 机制并不发生变化，然而气泡半径增长速率和液体的径向速率却成倍增大，易导 致液态沥青外溢和固相半焦产生裂纹。与中温煤沥青相比，低温煤沥青产生的气 泡尺寸更大。 在“气泡有限逃逸”机制的基础上，将沥青基碳碳复合材料的碳化分为两 个区域，即液态反应区和固化半焦区，产生的气体大部分被限定在液相区，并在 固相区释放。通过有限差分法求解能量方程、动力学方程、连续性方程组成的微 分方程组，得到了温度、压力、沥青的转化率等在碳碳复合材料中的分布。讨 论了加热速率、试样厚度和原料沥青对这些参数的影响，为制定更合理的碳化工 艺提供了理论依据。 关键词：煤沥青，碳碳复合材料，浸渍一碳化，工艺参数，数值计算，动力学 i i 翌苎王：! ! ：盔兰兰! 兰竺笙兰 a b s t r a c t c o s tr e d u c t i o ni np r e p a r a t i o no fc a r b o 肌a r b o nc o m p o s i t e si sac r i t i c a la s p e c t p r c s e n t i n gf o ra ur e s e a r c h e r si nt l l ew h o l e 、w r l d t o a _ t t a i nt h i sp u r p o s e ，m e r ea r cs t i l l g r c a tp o t c n t i a li nt h ef 曲r i c a t i o no fc 抽o i l ，c 抽o nc o m p o s i t e sb yt l l e m e t l l o do fl o w p r e s s u r ci m p r e 弘a t i o n c 缸b o n i z a t i o no fc o a lt 盯p i t c h t h o u 幽c o m p u t e rs i m u l a t i o n h a v eb e e ns u c c e s s f u la p p l i e di i ls o m ef i e l d smm a t e r i a l s ，a h n o s tn of 印o nh 解b c e n f o u n di nt h ep r o c e s so f p i t c hi m p r e g n a t i o n - c a r b o n i z a t i o n r e a s o 璐m a yb e ( 1 ) c o a lt a r p i t c hi sm i x t u r eo ft h o u s 缸d sc o m p o i l i l d sw h o s es t m c 劬哼sa r en o td e t e m i n e d ，( 2 ) a 1 0 to fd a t aa b o u tt h ei n t e 彻e d i a t ea 1 1 dn o n - e q u i l i b r i 啪p r o c e s sa r ca b s e n c e ，a n d ( 3 ) i t i sd i m c u l tt oc a l c u l a t i n gm 0 1 e c u l 盯p a r 枷e t e r sb yq u a n m mc h e m i s t r yd u et 0t h ev e r y h i 曲m o l e c u l a r 、e i g h t 锄dc o n d e n s e da r o m a t i cr i n g so fp i t c hc o r n p o s i t i o f l s m 柚y r sa r ei n v o l v e di i lt h ep r o c e s s m gt e c h n o l o g y t h u s ，s u i t a b l es 诅t i s t i c a lm o d e l sa r e 1 】r g e dt op r e d i c tt h eb e h a v i o r so fp i t c h c o m 】) u t e rs i m u l a t i o nc 锄h e l p i l so p t i m i z i n g o p e m t i o nc o n d i t i o m ，d c s i g n j n gc o m p o n e n t so fr a w ，d i s c o v e r h l ge v o l u t i o nm e c h a i l i s m o fp i t c h ，a i l dp r o m o t i n gt h ee m c i e n c yo fp r e p 盯a t i o na i l dq u a l i t yo fp r o d u 吐s e 矗b r t s w e r ep a i dt ot l l em a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o no fp i t c hi m p r e g n a t i o n - c a r b o i l i z a t i o ni nt l l i s t h e s i sa sf 0 1 1 0 w s ： o i l t h cb a s i so f f o r c ea i l a l y s i so fq u i n o l 妇i n s 0 1 u b l e ( q i ) i nm el i q u i dp i t c h ，f i l t e r ca ：k ef o m l i n gb yd e p o s i t i o 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sa n dc h e m i c a lm o d 诳e rl l s e di i lp i t c h i m p r e g n a t i o nw e r ed c t e m l i n e db yc o m b i n i n gt h es i m u l a n t 话s t sa n dm e o r e t i c a l c a l c u l 撕o n s t h es u r t a n to r i e n t a t i o n a l l ya d s o r b sb e 帆e e nd i 髓r e n tp o l a r i t i e s m o l e c u l e s ，w h i c hf e s u l t si nv i s c o s i t yo ft h es y s t e md e c r e a s e t h ep e 加e a b i l i t yo f p i t c hi se l e v a t e d ，b m 伍ec r i t i c a ls a m r a t i o nw a sf o u n da tt h ec o n c e n 忙a t i o no f3 h o w e v er ，m ef i o c c u l 肌t si m p r o v e dt h ep e n l l e a b i l i 修o fp i 劬b ym cw a yo f n i a b s c r a c c c o a g u l a t i n gf i n ep a n i c l e si n t oc o a r s eo n e sw h i c h1 e a d t ot h eh i 曲e rp e m e a b i l i t y c o e 艏c i e n to f t h ef i i t e rc a k e t h en o c c u l a l l t sh a dn oi n n u e n c et 0t l l ec o m p o s i t i o n sa n d v i s c o s i t ) ，o ft h ep i t c h o n 也ec o n t r a r y ，t l l ec h e m i c a lm o 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n e s o l u b l ea i l dq u i n o l i n ei n s o l u b l ei nl i t e r a t u r e s t h e i rp y r o l y s i s e sa r ea l lf i r s to r d e r r c a c t i o n s t h er e s u l t sp r e d i c t e db yt h em o d e lw e r cv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t a ld a 诅 a td i 艉r e n th e a t i n gr a t e si nt h er a l l g eo f2 5 科m i nt o1 0u m i n am o n t ec a r l om o d e lb a s e do nm es e r i a ld i m e r i z a t i o nw a se s t a b l i s h e dt o f o r e c a s tt h cm o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n so fp i t c hd u r i n gi s o t h e r m a lp y r o l y s i s t h e r e p o n e dm o l e c u l a rw e 迫h td i s t r i b u t i o n so fp i t c hu n d e rd i f f e r e mh e a tt r e a 恤e n t sw e r e s i m u i a t e d l i t t l ee r r o r sw e r cf o u n d t h ep y r o l y s i sr a t eo fc o m p o n e n t s 晰t hl o w m o l e c u l a rw e i 曲tw a ss l o wd o w n ，b u tt h er e a c t i o nr a t eo fc o m p o n e m s 、i t hm e d i 啪 m o l e c u l a r 、v e i 曲ti n c r 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r b o “c a r b o n c o m p o s i t c ss a m p l ew 勰d i v i d e di n t o 蚋7 0r e g i o n sa sr e a c t i o nr e 西o ni nl i q u i da 1 1 ds 0 1 i d r c g i o no fs e m i c o k e m o s to ft h ev o l a t i l e sw c r e 仃a p p e di nl i q u i d 硒b u b b l e 1 1 1 e y e s c a p e di i l s e m i - c o k e t h ee n e 唱ye q u a t i o n ，p y r o l y s i sh n e t i cm o d e l 肌dm a s s c o n s e r v a t i o n e q u a t i o n w e r cs e m e db yf i n i t ed i 仃e r e n c e t h ed i 州b u t i o n so f t e m p e r a t i l r e ，p r e s s l l r ea n dc o n v e r s a t i o no fp i t c hi nt l l es 锄p l ew e r e0 b 诅i n e d 1 1 1 e e 雎c t so fh e a t i n gr a i e ，t h i c k n e s so fs a i t l p l ea n dr a wp i t c ht 0 也e s ep a r 锄e t e r sw e r e d i s c u s s e di no r d e rt od e s i g nm o 豫r e a s o n a b l ec a r b o n i z a t i o nt c c h n o l o g y k e yw o r d s ：c o a lt a rp i t c h ，c a r b o “c a r b o nc o m p o s i t e s ，i m p r e g n a t i o n - c a r b o n i 删i o n ， t e c l u l i c a lp a r a m e t c r m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o n ，k i n e t i c s v 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期闻论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 火学。 保密论文待解密后适删本声明。 学位论文作者签名：j 垒塞轾! z ( ，口舌年 月f 日 巷敦乜 指导教师签名：u 一iv 1 一门年7 月二日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引州的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名氆丛 三。o 百年7 月目 西北工业大学博士学位论文 1 1 碳材料概述 1 1 。1 碳元素及其结构 第一章绪论 碳一词最早来源于木炭，1 8 世纪人类发现了碳在自然界的两种同素异形体， 即石墨和金刚石。直到1 9 8 5 年，才发现了碳的第三种形式，它就是笼状的富勒 烯。固体碳的这三种同素异形体存在形式及其主要的派生物如图1 1 所示1 2 】。 c i r b 0 4 a p d 刚恍d 蛐dd 妇峙mf o r m 辫鹞 墅量奄 曝裂辨 鹨 嚷嚣辫 镩舞鼢 图1 1 固体碳的三种同素异形体及其衍生物 f i g 1 1t h et h r c ea l l o t r 叩i cf b m l so f s o l i de l e m e n t a lc a r b o na r i dm a i nd 州v a t i v c s 碳原子外层有4 个价电子，由于原子半径小，与其它原予结合时，其外层电 子可能产生s p l 、s p 2 和s p 3 杂化，形成稳态的单键、双键和叁键【3 】o 按照杂化轨 道理论，当产生s p 3 杂化杂化时，固体中只存在a 键，导致该物质具有很高的硬 度、热导、熔点等，其典型的物质如金刚石：当产生s p 2 杂化时，形成的是 【键， 原子间的结合强度比a 键低，其代表物质是六方石墨；而s p l 杂化时，会形成既 有a 键又有兀键的物质，如卡宾。图1 2 比较了碳原子的电子杂化轨道示意图以 及相应的晶体结构【2 j 。 由于碳的不同键合方式和电子云空间，碳元素能够与很多种其它的元素以及 第一章绪论 它本身形成不同的价键，这就使得碳材料具有多样化的物理化学性质，能够满足 不同领域的需要，因而备受人类的关注，其发展速度十分惊人，新型碳材料已经 被誉为第四类工业材料。 图1 2 碳原子的杂化轨道和相应的晶体结构示意图 f i g 1 2b o n d i n g h y b r i d i z a t i o na n dc o r r e s p o n d i n gc i y s 诅1s t m c 垭r eo f d i 毹r e n ta l l o t r o p e s 1 1 2 碳材料的结构及应用 碳材料具有密度小、强度大、冈0 性好、耐高温、耐湿热、抗化学腐蚀、抗辐 射、抗疲劳、抗热震、高导电、高导热、耐烧蚀、热膨胀小、生理相容性好等一 系列的优异特性，因而很长时间以来一直被视为一种重要的无机非金属材料。 从1 9 世纪初的碳电极问世以来，世界各国的科研工作者相继开发了碳纤维 及其复合材料、活性碳纤维、碳微球、富勒烯、碳合金、纳米碳管、碳分子筛等 新型碳材料【3 ”。下面将它们的基本结构与应用作简要的介绍。 碳分子筛是一种具有较为均匀微孔结构的碳质吸附剂，有着与被吸附分子直 径相近的楔形狭缝状微孔，能够把立体结构大小有差异的分子分离开来。目前开 发有纤维状碳分子筛、碳纤维符合分子筛和碳分子筛膜等多种形态。碳分子筛已 经用于空气分离、催化剂载体、饮料除臭、香烟的过滤嘴和色谱的固定相等。 碳纳米管是石墨管状晶体，是单层或多层石墨片围绕中心按一定的螺旋角卷 曲而成的无缝纳米级管，每层纳米管是一个由碳原子通过s p 2 杂化与周围3 个碳 原子完全键合后所构成的六方形平面组成的圆柱丽。但是由于存在一大的曲率， 其中也有一小部分碳属s p 3 杂化。碳纳米管最主要的用途是作为储氢材料，同时 西北t 业大学博叶：学位论文 还被用于电子科学，高分子复合材料以及生物工程等领域。 1 9 8 5 年鼬o t o 报道了富勒烯c 6 0 的结构，这个在自然界最大的单一元素构成 的分子就是碳的第三种同素异形体。富勒烯碳分子由全碳组成，每个分子有2 ( 1 0 + m ) 个碳原子，相应构成1 2 个五元环和m 个六元环，而c 6 0 是最小的最稳 定的富勒烯分子。由于富勒烯的独特结构使其具有独特的性能，在超导、微电子、 光电子学和电池方面有着广阔的应用前景。 碳合金一词是借鉴金属合金的概念得来，是指以碳原子的集合体为主体的多 成分体系构成，各构成单位之间有着相互作用的材料。碳合金的研究领域十分广 泛，如多孔碳合金、层间碳合金。 中间相碳微球是原料在热聚合过程中形成的粒径在1 1 0 0 “m 的小球体，它 的结构有地球仪型和洋葱型两种，内部由许多多环多核芳烃的扁平大分子堆砌而 成。主要用作为锂电池的负极材料、活性吸附材料、催化剂载体等。 碳碳( c c ) 复合材料是以碳纤维为增强体，并且以碳作为基体的复合材料。 它具有密度低、高比强度、高热传导性、低膨胀系数、耐磨、耐烧蚀等优点。由 于其在高温下仍然具有很高的力学性能，因此被认为是最适合于高温环境中使用 的材料，因而主要应用于航空、航天设备来取代传统材料。当然在汽车、生物材 料、化工等民用领域也有广阔的应用前景。 从上世纪中期人们竞相开展碳材料研究工作以来，不断有新型的碳材料问 世。如今，碳材料科学已经成为衡量一个国家和民族的科技水平和军事实力的主 要标志之一。碳材料研究吸引了大批的科技工作者的参与，每年一度的国际碳材 料会议都会收到数百篇科技论文，有近千人与会交流。在我国，每年也有多个以 碳材料为主题的大型科技会议召开，如全国新型碳材料会议、海峡两岸新型碳材 料会议、全国复合材料会议等。2 0 0 5 年，获得我国科学技术发明一等奖的两个 课题都是属于碳材料范畴。可以预言，碳材料将成为材料史上一个里程碑。 1 2 碳，碳复合材料概述 材料是构成导弹、航空、航天设备的物质基础，这些设备的高温高空服役环 境对材料提出了特殊的要求。国防工业的这种特殊要求就促进了碳素工业的发 展，使c c 复合材料的研究应运而生，这是由于经石墨化处理后的c c 复合材 料中的碳原子具有s p 2 杂化的类石墨结构，它兼具了石墨的良好的高温性能和复 合材料的优异的力学性能【5 j ，并且比重小、质量轻。c c 复合材料是替代传统高 温合金的理想材料，是提升军事实力的重要衡量标志之一。如果说第一、二次世 界大战是钢铁战争，那么未来的战争就是碳材料之战。因此各国政府不借投入巨 第一章绪论 资，进行高性能c c 复合材料的研制。经过半个世纪的努力，c c 复合材料的研 究工作取得了丰硕的成果。正是缘于军事战略的需求，在未来的很长一段时间， c c 复合材料仍会是材料领域的研究热点之一。 1 2 1 碳碳复合材料的结构与应用 c c 复合材料是以碳或石墨纤维为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材 料。根据材料设计的要求，碳纤维可以采用单向( 1 d ) 、双向( 2 d ) 、三向( 3 d ) 编织，甚至是多向编织( 4 d 、5 d 、6 d 至l l d ) 【6 】。基体碳是将基体前驱体浸渍 或沉积到碳纤维构成的预制体中，经过高温碳化或石墨化处理而获得的。高温环 境中用c ，c 复合材料必须经过石墨化处理，得到的产品几乎只含有碳原子，而且 具有s p 2 杂化的类石墨结构，同时具有较低的密度( 理想值为2 2k g d m 3 ) 。 基于上述原因，航空、航天、导弹等领域成功地找到了取代传统材料的理想 材料，例如喷管结构件材料的演变过程： 钢_ 钛一铝一玻璃环氧专碳( 石墨) ，环氧哼c c 复合材料 c ，c 复合材料在战略导弹固体发动机上的应用实践表明，导弹的射程和有效载荷 得到了极大的提升【7 j 。 图1 3c c 复合材料制备的飞机刹车盘 f 培1 3b r a l 【ed i s ci nb a 牡l e p l em a d eb yc cc o m p o s 沁 c c 复合材料在国防工业中主要用作为烧蚀材料嘲、热结构材料【9 】和耐摩擦 材料”0 】。从阿波罗号宇宙飞船开始，c ，c 复合材料逐渐取代传统材料广泛应用于 航天飞机的鼻锥帽、机翼前缘与货舱门、火箭的发动机尾喷管、喉衬与燃烧室、 导弹的再入鼻锥与弹翼、飞机的刹车盘等构件。图1 3 是韩国某碳材料公司生产 的c c 复合材料制备的f 1 6 战斗机的刹车盘( c a r b o n 2 0 0 5 会议上的产品展览) 。 4 西北t 业大学博士学位论文 c ，c 复合材料在国防工业的应用还在不断增大，例如战略导弹的固体发动机 正向全c c 复合材料化发展，使结构设计简单化、飞行器轻质化和热环境可靠化。 我国在c c 复合材料的研究上也投入了相当多的人力和物力，从“七五”到 “十一五”都有大量的研究项目。成果主要有【l l 】：8 0 年代初固体火箭发动机的 c c 复合材料喉衬进入实用化阶段；飞机刹车摩擦材料和弹头防热材料应用也已 取得成功；在航空发动机应用方面，微型发动机尾喷件、叶片进入试车阶段等。 除了用作为热结构材料和热防护材料外，科研人员已经开始了c c 复合材料 的功能化研究，探讨c c 复合材料在隐身材料、消声材料方面的用途。c ，c 复合 材料也在汽车工业、化学工业、电子工业、体育器材、生物工程等领域显示出巨 大的应用潜力【比，l 。 11 2 2 碳碳复合材料的致密化技术 c c 复合材料的制备过程包括增强体的选择、预制体的成型、c c 复合材料 的致密化工艺、石墨化以及最终产品的加工检测等环节。目前可供选择的商品化 碳纤维非常多，基本能够满足c c 复合材料的设计需要；碳纤维预制体编织技术 也已经相当成熟，为满足不同需求，发展了单向、双向、多向编织以及穿刺织物 等技术；石墨化处理过程比较简单，主要目的是净化c c 复合材料，改善其抗氧 化性能、热物理性能和机械性能。由此可见，要制备高性能c c 复合材料，关键 是c c 复合材料的致密化技术。c ，c 复合材料致密化工艺主要有以下两类： ( 1 ) 液相浸渍碳化 液相浸渍碳化法是将熔融的碳基体的前驱体浸入碳预制体的内部孔隙，然后 在一定气氛中高温( 6 0 0 7 0 0 ) 处理，以获得致密碳的方法，它是最早采用来 进行c c 复合材料致密的方法。用于液相浸渍的碳基体的前躯体有酚醛树脂、糠 醛树脂、煤沥青等。本文以煤沥青为例简要阐述液相浸渍碳化的原理与方法。 煤沥青是一种结构和组成非常复杂的混合物【1 4 ，l5 1 ，分子量分布从2 0 0 到2 5 0 0 以上【1 6 ，”l 。它在常温下为固体，被公认为是一种“固有溶液”【1 8 】：各溶解度参数 不同的组分相互溶解趋于形成一种胶束结构，组成三维梯度溶液，表现为烷烃溶 解环烷烃，环烷烃溶解小芳烃，小芳烃溶解大芳烃，从而使体系的混合热降低到 最小，形成稳定的固有“溶液”。但在热作用下，很容易使这种结构遭到破坏。 在2 0 0 3 0 0 之间，煤沥青形成低粘度的液体，浸渍温度就选择在此范围内。 随着温度的提高，沥青开始软化，沥青与碳纤维预制体间的润湿角从大于 9 0 。向小于9 0 。演变，如图1 4 所裂”j ，到达浸渍温度时润湿角只有接近3 0 。， 因此沥青能够自发渗入预制体的孔隙通道。因此，由于设备的限制，大多数工作 第一章绪论 都是采用低压( o 1 1 m p a ) 真空浸渍一碳化。但是低压浸渍效率低下，特别是 对于厚度较大的试样，往往需要几天的时间，甚至难以浸透。煤沥青中含有许多 低分子物质，在碳化反应期间还会有大量小分子生成，这些物质的挥发使得基体 碳的收率降低，在试样内部留下大量气孔。因此，至少需要4 6 次浸渍一碳化 循环，甚至l o 次以上才能达到要求，致使生产周期相当长，产品成本居高不下。 图1 4 煤沥青的润湿角演变 f i g 1 4t r a n s i n o n o f c o n t a c ta 1 1 9 l e o f p i t c h w t h t e m p e r a n l r ec h g e 提高致密化效率成为研究的热点。2 0 世纪9 0 年代初，李铁虎经过探索，提 出了二次抽气浸渍工艺【2 0 】，减小了沥青浸渍的阻力。改进工艺的致密化结果得以 提高【2 ”，但是仍然十分有限。另一种提高致密化效率的方法是高压浸渍一碳化 1 2 2 ，2 3 】，该方法能够使沥青浸入速度大幅度提高，而且沥青的碳化收率也迅速提高， 如在常压碳化收率为4 5 的沥青在3 0 m p a 碳化收率增加到8 5 【2 ”。尽管高压浸 渍一碳化可以缩短生产周期，但是其生产