● 摘要
泡沫炭材料由于具有卓越的隔热性能已成功用于航空、航天和军事等高技术领域，然而机械性能低和隔热性能差已成为限制其进一步发展和应用的重大问题之一。本文针对这些学科前沿问题主要开展了以下几个方面的研究工作： （1）提出了采用晶须增强泡沫炭隔热材料的新构思，研发成功新型泡沫炭隔热材料，确定了泡沫炭制备的优化配方，在深入研究发泡剂、固化剂、表面活性剂、添加剂含量和重力以及炭化工艺对泡沫炭材料孔隙特征、导热和力学性能影响规律的基础上确定了优化的制备工艺，所制备泡沫炭隔热材料具有良好的隔热和力学性能，导热系数常温下仅为0.11 W/(m•K)，压缩强度达到8.28MPa。 （2）深入研究了孔隙结构和添加剂含量对泡沫炭材料力学性能的作用机理，提出了泡沫炭材料失效模型。当空心陶瓷微球含量不大于2wt.%时，空心陶瓷微球位于泡沫炭的接点处，它们可以阻止裂纹的进一步的扩展，因此提高了泡沫炭的压缩强度，同时空心陶瓷微球本身具有很好的力学性能，它们的引入也就大大提高了这个体系的承载能力。 （3）系统研究了炭化工艺对泡沫炭材料微观结构和性能的影响，发现酚醛泡沫预制体在850℃时热解反应基本结束，总失重率在50％左右，添加剂对热解过程影响不大。预制体炭化前要经过去壳预处理，减少炭化裂纹。炭化速率宜控制在0.5～1℃/min。（4）通过微观结构分析，发现泡沫炭材料的孔径大小为150~200μm，孔径分布相对均匀，孔穴形状为球形，大多数为开孔结构，泡沫炭材料中存在孔穴的合并和孔穴的破裂，而且孔壁上有一些现状不规则的较大开口。通过能谱分析，证实了添加剂空心陶瓷微球位于泡沫炭材料孔穴的结点处。通过XRD图谱分析，发现酚醛树脂热解碳是石墨化很低的玻璃碳。（5）系统研究了所制备的泡沫炭材料的热物理性能，发现泡沫炭材料在常温下的热导率很低，大约为0.11~0.25 W/(m•K)，泡沫炭的热导率都随着温度的升高而上升，空心陶瓷微球的引入可以提高泡沫炭材料的隔热性能，而六钛酸钾晶须可以将材料的热导率降低20％左右，提高泡沫炭材料的隔热性能。 （6）通过实验研究了添加剂对泡沫炭材料压缩性能的影响规律，六钛酸钾晶须添加剂含量增加至1％时，泡沫炭的压缩强度从3.3MPa增加至4.29MPa，提高了30％，而当添加剂空心陶瓷微球的含量为1 wt%时，泡沫炭的压缩强度最高为8.28MPa。