炭材料氧化動力學、機理及模擬研究.pdf

1、炭/炭復合材料和石墨由于其優(yōu)異的物理化學性能被廣泛應用于航空、航天和冶金等工業(yè)領域。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，力學性能迅速下降。為此，國內(nèi)外科學工作者對炭材料的氧化行為進行了大量研究。綜觀過去四十多年來有關炭材料氧化的研究結果，存在分析用動力學方程較簡化、研究內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性等問題。為了完善炭材料氧化動力學方程，建立表征炭材料氧化的通用方法，

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

3、系。在此基礎上，將無模式函數(shù)法、模式函數(shù)法和簡化時間圖法等熱重動力學方法引入到炭/炭復合材料的等溫氧化動力學研究中，對炭/炭復合材料等溫氧化機理有了更具體的解釋。同時為了探討氧化初期炭/炭復合材料性能急劇惡化的原因，利用SEM觀察了炭/炭復合材料同一表面氧化初期顯微結構的動態(tài)變化過程。 利用傳統(tǒng)的動力學分析法和發(fā)展的α-t/t0.5曲線多項式回歸法開展了炭材料等溫氧化TG曲線的模擬研究。結果表明：動力學參數(shù)法和α-t/t0.5曲

4、線多項式回歸法都可以較好預測炭材料等溫氧化過程中的重量損失情況，其中α-t/t0.5曲線多項式回歸法是一種比動力學分析法更簡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際使用環(huán)境的非等溫氧化研究，探討了模式函數(shù)法、無模式函數(shù)法和TG-DTG曲線形狀法等熱重動力學法在研究石墨的非等溫氧化動力學和機理中的有效性，并對其非等溫氧化TG曲線進行了模擬。研究結果表明：無模式函數(shù)法更適合研究石墨非等溫氧化動力學，根據(jù)無模式函