炭材料氧化動(dòng)力學(xué)、機(jī)理及模擬研究.pdf

1、炭/炭復(fù)合材料和石墨由于其優(yōu)異的物理化學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于航空、航天和冶金等工業(yè)領(lǐng)域。在惰性氣氛或真空中，隨著溫度的升高，它們依然可以保持其室溫下的力學(xué)性能甚至還有所增加。然而，在空氣中400℃就開始發(fā)生氧化，力學(xué)性能迅速下降。為此，國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者對(duì)炭材料的氧化行為進(jìn)行了大量研究。綜觀過去四十多年來有關(guān)炭材料氧化的研究結(jié)果，存在分析用動(dòng)力學(xué)方程較簡(jiǎn)化、研究?jī)?nèi)容缺乏系統(tǒng)性等問題。為了完善炭材料氧化動(dòng)力學(xué)方程，建立表征炭材料氧化的通用方法，

2、本文以炭氈/炭復(fù)合材料、二維炭/炭復(fù)合材料以及石墨為研究對(duì)象，采用熱重分析(TGA)和掃描電鏡(SEM)對(duì)炭材料的氧化動(dòng)力學(xué)與機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對(duì)炭材料氧化TG曲線的模擬進(jìn)行了初步研究。 研究了炭/炭復(fù)合材料的等溫氧化動(dòng)力學(xué)，分析了氧化機(jī)理。與傳統(tǒng)的炭/炭復(fù)合材料等溫氧化研究相比較，主要有兩方面的改進(jìn)。首先建立了比一級(jí)反應(yīng)更確切的描述非線性氧化階段的動(dòng)力學(xué)方程；其次是揭示了炭/炭復(fù)合材料在不同氧化階段的顯微結(jié)構(gòu)與氧化機(jī)理的關(guān)

3、系。在此基礎(chǔ)上，將無(wú)模式函數(shù)法、模式函數(shù)法和簡(jiǎn)化時(shí)間圖法等熱重動(dòng)力學(xué)方法引入到炭/炭復(fù)合材料的等溫氧化動(dòng)力學(xué)研究中，對(duì)炭/炭復(fù)合材料等溫氧化機(jī)理有了更具體的解釋。同時(shí)為了探討氧化初期炭/炭復(fù)合材料性能急劇惡化的原因，利用SEM觀察了炭/炭復(fù)合材料同一表面氧化初期顯微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化過程。 利用傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析法和發(fā)展的α-t/t0.5曲線多項(xiàng)式回歸法開展了炭材料等溫氧化TG曲線的模擬研究。結(jié)果表明：動(dòng)力學(xué)參數(shù)法和α-t/t0.5曲

4、線多項(xiàng)式回歸法都可以較好預(yù)測(cè)炭材料等溫氧化過程中的重量損失情況，其中α-t/t0.5曲線多項(xiàng)式回歸法是一種比動(dòng)力學(xué)分析法更簡(jiǎn)便的模擬炭材料等溫氧化TG曲線的方法。 開展了更接近炭材料實(shí)際使用環(huán)境的非等溫氧化研究，探討了模式函數(shù)法、無(wú)模式函數(shù)法和TG-DTG曲線形狀法等熱重動(dòng)力學(xué)法在研究石墨的非等溫氧化動(dòng)力學(xué)和機(jī)理中的有效性，并對(duì)其非等溫氧化TG曲線進(jìn)行了模擬。研究結(jié)果表明：無(wú)模式函數(shù)法更適合研究石墨非等溫氧化動(dòng)力學(xué)，根據(jù)無(wú)模式函