CN107640766B

CN107640766B - 一种基于淀粉发酵原理制作三维变密度多孔材料的方法

Info

Publication number: CN107640766B
Application number: CN201711023157.6A
Authority: CN
Inventors: 李宜彬; 袁野; 赫晓东; 杨明龙; 尹维龙; 李建军
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN107640766A

Abstract

一种基于淀粉发酵原理制作三维变密度多孔材料的方法，属于多孔材料领域。本发明以淀粉、酵母和水为原料，经过发酵成孔后进行变密度工艺实施，并经固化和烘烤成型，在高温惰性气体保护下进行碳化处理后并自然冷却，干燥后即得到三维变密度多孔碳材料。扫描电镜和X射线衍射表征表明该材料具有多孔有序的石墨结构；力学测试表明，该材料在低密度下具有较强的抗压缩性能，是一种低成本环境友好的理想三维多孔材料。

Description

一种基于淀粉发酵原理制作三维变密度多孔材料的方法

技术领域

本发明属于多孔材料领域；具体涉一种变密度结构，高导电性和高强度的三维变密度多孔材料的制备方法。

背景技术

隐身材料是隐身技术的重要组成部分，在装备外形不能改变的前提下，隐身材料(stealth material)是实现隐身技术的物质基础。武器系统采用隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存率，增加攻击性，获得最直接的军事效益。因此隐身材料的发展及其在飞机、主战坦克、舰船、箭弹上应用，将成为国防高技术的重要组成部分。对于地面武器装备，主要防止空中雷达或红外设备探测、雷达制导武器和激光制导炸弹的攻击；对于作战飞机，主要防止空中预警机雷达、机载火控雷达和红外设备的探测，主动和半主动雷达、空对空导弹和红外格斗导弹的攻击。为此，常需要雷达、红外和激光隐身技术。

结构型雷达吸波材是一种多功能复合材料，它既能承载作结构件，具备复合材料质轻、高强的优点，又能较好地吸收或透过电磁波，已成为当前隐身材料重要的发展方向。

国外的一些军机和导弹均采用了结构型RAM，如SRAM导弹的水平安定面，A-12机身边缘、机翼前缘和升降副翼，F-111飞机整流罩，B-1B和美英联合研制的鹞-Ⅱ飞机的进气道，以及日本三菱重工研制的空舰弹ASM-1和地舰弹SSM-1的弹翼等均采用了结构型RAM。近年来，复合材料的高速发展为结构吸波材料的研制提供了保障。新型热塑性PEEK(聚醚醚酮)、PES(聚醚砜)、PPS(聚苯硫醚)以及热固性的环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺和异氰酸酯等都具有比较好的介电性能，由它们制成的复合材料具有较好的雷达传输和透射性。

而利用改变轻质结构本身的空隙密度达到吸收声波或电磁波的方法，被认为是一种有效的制作隐身材料的方法，近几年来的研究主要集中在SiO₂气凝胶的材料上。而这些提出的方法过程较复杂，不同密度界面处的连接过渡仍有缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、简易可行基于淀粉发酵原理制作三维变密度多孔材料的方法。该方法针对目前变密度多孔材料在制备方法、变密度过渡、孔径、孔隙和强度等方面遇到的问题，利用简单的发酵、干燥和高温碳化过程制备得到的三维变密度多孔材料具有高导电性、变密度、低热导率和高强度。

本发明中一种基于淀粉发酵原理制备三维变密度多孔材料的方法，是按下述步骤进行的：

步骤一、将干酵母与去离子水混合，再加入淀粉，机械搅拌，然后发酵至用手指按压无弹性，制备不同密度前驱物；

步骤二、然后揉制成设计的形状，按加入酵母含量由少至多的顺序依次从下往上堆放(保证界面粘结)，二次发酵，加热处理后真空干燥；

步骤三、再在惰性气体保护下碳化，而后在惰性气体保护下冷却至室温，即得到三维多孔变密度碳材料。

进一步地限定，步骤一中将1～4g干酵母与100ml～130ml去离子水混合，再加入200g淀粉。

进一步地限定，步骤一所述发酵是在湿度为75％～85％、温度为25℃～35℃的环境中发酵30min～60min。

进一步地限定，步骤二所述二次发酵的温度控制在30℃～40℃。

进一步地限定，步骤二所述加热处理是在干燥箱内进行的，温度控制在165℃～200℃，加热30min～60min。

进一步地限定，步骤二中在真空度为20Pa～30Pa，温度为40℃～60℃条件下真空干燥12h～24h。

进一步地限定，步骤二中机械揉制1min～2min

进一步地限定，步骤三所述惰性气体为氮气、氩气中的一种。

进一步地限定，步骤三所述碳化温度800℃～1200℃，所述碳化时间为1h～3h。

进一步地限定，步骤三碳化升温速度为1℃/min～5℃/min。

本发明中多孔结构的产生是依赖酵母产生CO₂气体在“淀粉”内部形成多孔，其中淀粉与酵母的比例为50～100:1。

本发明中“淀粉”烘烤后碳化温度在800℃～1200℃，升温的速度为1℃/min～5℃/min，碳化时间为1h～3h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用淀粉为前驱物，依次通过搅拌成型、前期变密度制备、加热固化和高温碳化的方法制备出了三维变密度多孔碳材料。该材料是一种性能良好的低密度三维变密度多孔材料。另外，采用这种方法还具有以下优点：1、原材料成本低；2、材料具有较高的导电性和压缩强度；3、制备工艺简单，环境友好，易于工业化生产。

附图说明

图1为本发明方法制备的变密度多孔碳材料的结构扫描电镜图；

图2为本发明具体实施方式一的变密度多孔碳材料X射线电子结合能谱；

图3为本发明具体实施方式一的压缩示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本发明中一种基于淀粉发酵原理制备三维变密度多孔材料的方法，是按下述步骤进行的：

步骤一、将干酵母与去离子水混合，再加入淀粉，机械搅拌10min并成型，然后在湿度为75％、温度30℃下发酵至至用手指按压无弹性后(发酵耗时一般为60min)，步骤一各原料用量如表1：

表1原料配比表

序号	去离子水	干酵母	淀粉
				1	130ml	4g	200g
2	120ml	3g	200g
				3	110ml	2g	200g
4	100ml	1g	200g

步骤二、然后揉制成设计的形状，按干酵母用量由少至多的顺序从下往上依次叠放，在湿度为80％、温度为35℃下二次发酵至用手指按压无弹性后(二次发酵耗时一般为60min)，放入干燥箱在180℃条件下加热处理40min后，置于真空干燥箱在真空度为25Pa，温度为50℃条件下真空干燥12h；

步骤三、然后置入管式炉，再在氩气保护下，以2℃/min的升温速度升温到1200℃碳化3h，而后在氩气气氛保护下冷却至室温，即得到三维多孔变密度碳材料(图1)。

将三维多孔变密度碳材料进行X射线衍射检测，如图2所示，在25度有石墨碳的特征衍射峰，表明该负极材料为有序的石墨结构。

将三维多孔变密度碳材料进行压缩性能测试，如图3所示，密度为45mg/cm³的该材料，压缩应力为1.6MPa，应变为1.5％。

具体实施方式二：按照具体实施方式一中所述制备出碳化多孔骨架结构，进行20min的搅拌并成型。在湿度为80％，温度35℃下发酵60min。用手指按压无弹性后，揉制成设置好的形状，继续在湿度为80％,温度为38℃下发酵60min。将上述发酵所得前驱物放入干燥箱加热40min，得到固化后的淀粉多孔结构。将该多孔材料放置在真空干燥箱内进行干燥12h。之后置入管式炉，通入惰性气体，设置碳化温度在1000℃进行3h碳化。碳化结束后在惰性气体氩气保护下冷却至室温，得到碳化多孔骨架结构。密度为54mg/cm³的该材料，压缩应力为1.9MPa，应变为1.7％。

Claims

1.一种基于淀粉发酵原理制作三维变密度多孔材料的方法，其特征在于所述制作方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将干酵母与去离子水混合，再加入淀粉，机械搅拌，然后发酵至用手指按压无弹性，按上述方法制作不同密度前驱物；步骤一中将1g～4g干酵母与100ml～130ml去离子水混合，再加入200g淀粉；所述发酵是在湿度为75％～85％、温度为25℃～35℃的环境中发酵30min～60min；

步骤二、然后揉制成设计的形状，按加入酵母含量由少至多的顺序依次从下往上堆放，二次发酵，用手指按压无弹性后，加热处理后真空干燥；所述二次发酵的温度控制在30℃～40℃；所述加热处理是在干燥箱内进行的，温度控制在165℃～200℃，加热30min～60min；在真空度为20Pa～30Pa，温度为40℃～60℃条件下真空干燥12h～24h；

步骤三、再在惰性气体保护下碳化，而后在惰性气体保护下冷却至室温，即得到三维多孔变密度碳材料；所述碳化温度800℃～1200℃，所述碳化时间为1h～3h；碳化升温速度为1℃/min～5℃/min。

2.根据权利要求1所述一种基于淀粉发酵原理制作三维变密度多孔材料的方法，其特征在于步骤二中揉制1min～2min。

3.根据权利要求1所述一种基于淀粉发酵原理制作三维变密度多孔材料的方法，其特征在于步骤三所述惰性气体为氮气、氩气中的一种。