Введение к работе
Актуальность темы Пористые углеродные композиционные материалы (УКМ) на основе карбошзоаанных полимеров и изделия из них находят широкое применение в различных отраслях новой техпи и. Они используются как монструкциоиные материалы в ядерных реаісгорах, фильтры, адсорберы, каркасные наполнители, теплозащитные и антифрикционные материалы в машяюстроеіми, мембраны в химическом лроизвод-лве, а также в олезстрометаллургии, г^ектро и радиотехнике. Однако эти материалы удовлетворяют .далеко не всем требованиям совремешюй техники. В гастоілцее время требуются выажопориегые прочные материалы и изделия сложной гсонфигурации, способные длительное время работать без потери прочности при температурах 1000-2000'С и выше.
Такие материалы и изделия создаются по новой технологии на остове сшггактных пен (полимерных композицибиных материалов (ПКМ), наполненных микросферами в сочетании с , оксидными, штридными, бориднымл и другими дисперсными наполнителями, реагирующими с углеродом при высоких температурах с образованием тугтілавких керамических материалов).
Для повышения физко-мехашческих и электрофизических свойств
этих перспективных материалоов и изделий из них необходимо установить
закономерности формирования надмолекулярной структуры углеродного
остов" и поверхности в процессе карбонизации ПКМ и корреляции
параметров тгруктуры : свойств исходных и карбанизованных (готовых)
материалов. ,
Существующие представления о надмолекулярно** организации высояопористых ГОШ, механизмах и кинетике структурных превращений при термических воздействиях (карбонизации) с образованием переходных форм углерода графитовой модификации не позволяют целенаправламо регулировать параметры пористой структуры и свойства углеродных (УМ) и утлеродошполнекчых материалов (УНМ), а исследования в этой области носят несистематический характер и направлены, как правило, на решение частных практических вопросов. Поэтому нет достаточных оснований переносить данные, полученные m массивных полимерных материалах, на пористые, в том числе композиционные и с комплексным наполнителем.
Работа выполнялась-в соответствии с плашмг научно-технических программ Миннауки РФ на 1992-1995 гг. "Новые материалы", "Полимерные
композициошале материалы" и "Наукоемкие технологии".
Ц&2Ш работы является установление физико-химических закономерностей формирования надмолекулярной структуры углеродного остова и поверхности УМ в процессе термического воздействия га ПКМ с высокоразвитой поверхностью на основе фенолоформальдегидных смол (ФФС) и полых факшскрс^мальдегидных мшфосфер (ФФМС) и разработка научных основ получения высокопористых, прочных и термостойких материалов.
В работе были поставлены следующие основные задачи:
установить закономерности структурообразования и изучить свойства дисг 'раюнаполненных ПКМ - сферофенопластов (СФП) (синтактньк пен) -для Получения высокопористых прочных УМ;
исследовать влияние параметров термической обработки (карбонизации) СФП на формирование надмолекулярной структуры углеродного остова и поверхности УМ в процессе твердофазного синтеза, а также jb структуру и свойства углеродных высокопористых материалов;
разработать составы и получить вькоколористые прочные тугоплавкие Прав > 2000'С) высакочистые (99,5% основного вещества) материалы из ПКМ с комплексным гпполдагелем по многоступенчатой технологии.
основные закономерности структурообразования и формирования надмолекулирной структуры углеродного остова и поверхіюсти вьюсшопористых УМ в процессе термохимического превращения СФП в перетодные формы углерода;
механизм упрочнения высокопористых ПКМ и УМ с развитой поверхностью;
оценка энергетического состояния и химической природы поверхности материалов в процессе карбонизации СФП и образования УМ;
оптимизация составов материалов и параметров многоступенчатой техтпогии получения высокопористых прочных высокочистых УМ и тугоплавких материалов (ТОМ) из СФП путем высокотемпературного твердофазного синтеза;
На учти я новизна заключается в том, что:
- с применением комплекса физико-химических и физических методов
пыполнены систематические исследования структурообразоватіия,
формирования надмолекулярной структуры углеродного остова и поверхности
при термохимическом превращении высокопористых СФП в условиях
твердофазного синтеза в интервале температур 160-1000'С, что позволило
дать научное обоснование технологии получения кярбоншованных и карбидизовашык материалов с уникальными свойствами;
определим температурные области (стадии) структурообразованигс 160-400, 400-600, 600-800'С, и установлена особенность формирования структуры выоокопористых УМ, заключающаяся в с .вершении процессов структуросібра зевания на 100-200'С ниже іл, сравнению с ненористыми материалами;
методом ИК-Фурье-спектросконии проведен анализ структурных превращений: доотвегчкденио полимера по гидооксилыым группам и окисление метильных и метиленових групп га первой стадии; образоваше лактшюв, кетонов и мостиксвых сгруктур га второй стадии; конденсация ароматических фрагментов на третьей;
по данным регагеноструктурнаго анализа, электронографии и спектроскопии комбинационного рассеяния света показано, что шдмолекулярюя структура остова вькокопористых СФП и УМ характеризуется наличием упорядоченных нанометровых структур (2 -12 нм), чем обусловлено увеличение прочности УМ в 30 раз (стс = 3-5 МПа при плотности ркаж = 250 кг/м3);
- впервые адсорбционными метод-ми установлР'Ю, что из СФП при
арбонизации получаются УМ с высокоразвитой (S.w = 630 ьг/г)
поверхностью, характеризующейся двумя (на перво" стадии) или тремя (на переходной и завершающей стадиях) гомотатическими участками; Практическое значение работы
разработаны составы, обоснована технология и / получены СФП на основе ФФС и ФФМС с заданными параметрами структуры для синтеза при карбонизации высокопористых прочных УМ;
определены оптимальные параметры выемсотемпературного твердофазного синтеза высокопопистых (70-80%) прочных (cr^, = 3-5 МПа) УМ из СФП. Максимальные прочность при сжатии, открытая пористость и удельная' поверхность УМ достигаются выше 700'С, когда практичеаси полностью заканчивается формирование надмолекулярной структуры углеродного остова и поверхности;
найден способ регулирования открыто- и закрытопористой структуры УМ путем изменения скорости нагрева от ^0 до 600'С/ч, что позволяет получать УМ с открытой пористостью от 38 до 75
предложена новая методика определи1 ия образующихся конденсированных структур по ИК-сяектрам карбонизованных СФП, активирован» і. к оксидом угл«рода при 1000'С (в процеасе активации
6 удаляется (выгорает) аморфный полимер, содержащие ароматические фрпгмеїгш);
- разработана основы многоступенчатой технологии карбидизации УНМ и получены новые Еьюокопористыс (П = 70-80%) высокопрочные (о\« > Ю МПа) высокочистые (99,5fo) "ТОМ, способные работать прм температурах ,1000-2000'С Получено положительное решение по заявке на патент РФ ію способ получения материалоа
Апробация работы Основные результаты работы были доложены та Межрестіубликаїкком семинаре "Пластмассы со специальными свойствами" г. Саечт-Петербург, 1994.
Оу&ШКШШИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 8
работы, принято к печати ,2 статьи и получено положительное решение по
заявке.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 13 стр.
ккшипониаюго текста и содержит 42 рис и 10 табл. Работа состоит из
впеделия, 3 глав, выводов и списка литературных источников ио 116"
ипимапваний. .