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高性能纳米石墨块体的制备及性能研究

时间:2023-06-08 09:05:54 点击:208次

【摘要】 高性能石墨块以其特殊的低温热性能、低热膨胀系数、良好的导电导热性能在国防工业和特种材料中发挥着不可或缺的作用。 但由于石墨本身的层状结构,在外力作用下容易沿(002)晶面解离,限制了其产品的应用。 作者在对冠部突起强化机制观察的启发下,创造性地制备了一种通过晶格工程强化的高性能石墨块。 在焙烧初期的加压过程中,一小部分边缘锋利的纳米金刚石颗粒被压入石墨层。 在焙烧后期,纳米金刚石颗粒相变为纳米石墨蒜。 这种石墨大蒜就像膨胀螺丝一样将石墨片钉在一起,形成独特的“纳米疤痕”结构,赋予了石墨块出色的热性能。 增强机制类似于分支内部的凸起,阻止了石墨在(002)晶面上的易离解。 同时,纳米金刚石颗粒在石墨片之间的相变可以显着降低石墨粉的烧成温度。 作者主要阐述了复合粉体中纳米金刚石颗粒浓度对石墨块微观结构和热性能的影响; 结果表明,当复合粉体中纳米金刚石的浓度为20wt%时,煅烧后的石墨块体抗弯硬度与DS-4型商品石墨相当。 其堆积密度和弯曲硬度分别为1.93g/cm3和。 值得一提的是,这些纳米疤痕结构明显改善了石墨的力学性能,但预计这些晶格工程强化机制不仅可以改变石墨材料的微观结构和性能,还可以应用于其他层状材料。 作者还通过在纳米金刚石颗粒中引入少量碳纳米管作为前体来制备高性能石墨块。 与传统工艺相比,该方法不仅降低了石墨的各向异性,而且克服了单个纳米金钢砂岩体烧成后,石墨块内部残留较大挠度,石墨制品易脱落的问题。 更重要的是,少量碳纳米管的引入促进了纳米金刚石颗粒沿碳纳米管近似有序排列,从而使煅烧石墨块具有更高的力学性能。 作者主要阐述了碳纳米管浓度对煅烧石墨微观结构和热性能的影响。 实验结果表明,当复合粉体中碳纳米管浓度为5wt%时,制备的石墨块具有较高的堆积密度和热性能; 其体积密度、显微强度、杨氏挠度和弯曲硬度分别达到1.78g/cm3、GPa、2.7GPa和173.7MPa。 其弯曲硬度约为 DS-4 商业石墨的两倍。

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