木陶瓷是一種新型的陶瓷材料，較早由日本青森工業(yè)試驗場的岡部敏弘等于1990年提出，是指由木材在樹脂中浸漬后經(jīng)高溫炭化后形成的多孔質(zhì)碳素材料。木陶瓷具有許多優(yōu)異的性能，如質(zhì)輕、多孔、高比表面積、耐摩擦磨損、耐腐蝕、電磁屏蔽及良好的電學(xué)性能等，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)可用作催化劑載體、吸附劑、自潤滑材料及電磁屏蔽材料等。

木陶瓷從組成上說是一種由無定型的軟炭與玻璃質(zhì)的硬炭構(gòu)成的復(fù)合材料，研究者多以粉狀或液態(tài)酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂與木質(zhì)材料復(fù)合后經(jīng)高溫炭化制取木陶瓷。研究表明呋喃樹脂制取玻璃炭的質(zhì)量損失小，炭得率高，呋喃樹脂是指以具有呋喃環(huán)的糠醇和糠醛為原料合成的樹脂，糠醛是由植物纖維素原料經(jīng)過水解得到，生產(chǎn)糠醛的原料很多，特別是農(nóng)林廢料，如玉米芯、棉籽殼、稻殼和甘蔗渣等，因此以呋喃樹脂代替酚醛樹脂為浸漬劑制取木陶瓷將有利于節(jié)約資源和保護環(huán)境。此外，我國竹材資源豐富，竹材加工廢料多，本文首次以竹材廢料與呋喃樹脂為原料制備木陶瓷，并對其微觀結(jié)構(gòu)與性能進行了初步研究。

2實驗材料與方法

21試樣的制備

竹材廢料取自桃花江實業(yè)股份有限公司竹材銑削加工廢料，呋喃樹脂為實驗室合成的糠醛苯酚樹脂，固體含量56%。

制備過程首先是將竹材碎料在植物粉碎機中打碎，過100目篩后備用，將呋喃樹脂用一定量的酒精稀釋，與竹粉充分混合均勻，呋喃樹脂與竹粉的質(zhì)量比分別為30：70;40：60；50：50；60：40在室溫下放置2d后在30℃下烘干，然后壓制成直徑為2cm高度為2cm的圓柱體試樣(在5MP啪壓力下保持5min)。將試樣放在干燥箱中在150℃固化120min再將試樣放在真空碳管爐中進行炭化，炭化工藝如下：以10℃／min的速率從室溫升高到120℃,然后以3℃／min的速率升高到400℃，保溫60min再以3℃/min的速率繼續(xù)升溫至800℃,保溫180mir通循環(huán)水冷卻至200℃后隨爐冷卻。

22X射線衍射分析

采用北京譜析通用公司的XD-2型X射線衍射儀分析木陶瓷的物相組成，CuKa輻射（入=0.15406nm)管電壓36kV電流20mA掃描范圍2θ=10。～90。

23掃描電鏡形貌觀察

采用日本電子株式會社(JEOL)的JSM-5600LV型掃描電鏡觀察木陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。

24炭得率的測定

木陶瓷炭得率的計算：炭得率(%)=m2／m1×100%，式中：m2為試樣炭化后的質(zhì)量；m1為試樣炭化前的質(zhì)量。

25尺寸收縮率與密度的測定

木陶瓷各向尺寸收縮率的計算：尺寸收縮率=(Ir-Iz)/Ir×100%，式中：Ir為炭化前試樣的尺寸（底面積；高度；體積）；Iz為炭化后試樣的尺寸(底面積；高度；體積)。

表觀密度的計算：p=M/V,式中：p為表觀密度（g/cm2）；M為材料的質(zhì)量（g),V為材料在自然狀態(tài)下的體積，或稱表觀體積（cm3）。

26木陶瓷體積電阻率的測定

用四電很法測定木陶瓷的體積電阻，求出體積電阻率，所用儀器為美國keithleY2128A

3結(jié)果與討論

31木陶瓷的XRD分析

圖1為不同呋喃樹脂含量模壓試樣炭化后制取的木陶瓷的XRD圖譜，木陶瓷是由竹粉炭化后生成的竹炭與呋喃樹脂炭化后生成的玻璃炭構(gòu)成的復(fù)合炭材料。由圖1可以看出，木陶瓷中的XRD譜圖出現(xiàn)了兩個類似石墨的峰，分別是(002)峰與（101)峰，與石墨的特征峰相比峰形較寬，強度較弱且峰形不對稱，表明木陶瓷是由一系列連續(xù)分布的結(jié)晶度低的亂層石墨構(gòu)成，峰形寬說明生成的石墨微晶十分細?。蛔V線呈現(xiàn)出不對稱性，在低角度一邊呈較緩的斜度，在高角度一邊呈較陡的斜度，這表示木陶瓷中含有不同石墨化度的組分，石墨晶體結(jié)構(gòu)較完善的組分，2θ角大，石墨晶體結(jié)構(gòu)不完善的組分，2θ角小。對比ABC三條曲線可以發(fā)現(xiàn)，由A到C口隨著原料中呋喃樹脂含量的增加，譜線的峰高略有增大，峰形變化不明顯。

32木陶瓷的SEM分析

圖2為不同呋喃樹脂含量模壓試樣炭化后制取的木陶瓷的表面形貌照片。由圖2可知高溫炭化后可觀察到的木陶瓷的相主要包括三種：竹炭相、玻璃炭相以及孔隙相，孔隙包括竹粉內(nèi)部的孔隙與竹粉之間的孔隙。由圖2ab可以看出，竹炭具有多孔結(jié)構(gòu)，玻璃炭覆蓋在竹炭的表面呈不連續(xù)狀態(tài)，對竹炭結(jié)構(gòu)起到了強化的作用，竹炭的形態(tài)結(jié)構(gòu)清晰可見，竹炭之間有較大的間隙；隨著呋喃樹脂含量的增加，炭化后生成的玻璃炭增多，竹炭表面被越來越多的玻璃炭所覆蓋，竹炭之間的接觸面增大，間隙逐步減小，如圖2c所示；到呋喃樹脂含量為60%時，如圖2d所示，生成的玻璃炭呈連續(xù)狀態(tài)，不僅完全覆蓋了竹炭表面，并且填補了竹炭之間大部分間隙，使得竹炭之間相互連接在一起。

33木陶瓷的炭得率與尺寸收縮率

圖3為呋喃樹脂含量與木陶瓷炭得率及尺寸收縮率的關(guān)系圖。由圖3可以看出，呋喃樹脂含量對木陶瓷的炭得率影響很大：呋喃樹脂含量越高，木陶瓷炭得率越高。這是因為呋喃樹脂炭化后生成的玻璃炭得率高于竹粉炭化后生成的竹炭得率。

木陶瓷的底面積收縮率大于高度收縮率，因為木陶瓷成型采用的是單向加壓的方法，在高度方向受到較大的壓力，因此高度方向的致密度應(yīng)高于直徑方向的致密度，使得相同溫度下炭化分解引起的尺寸變化高度方向低于直徑方向；并且可以看出呋喃樹脂含量對木陶瓷底面積收縮率的影響不大，呋喃樹脂含量為30%時制得的木陶瓷底面積收縮率較大（379%l呋喃樹臘含量為700時制得木陶瓷的底面積收縮率較小(35.9%),兩者相差不到2%；而呋喃樹脂含量對制得的木陶瓷的高度收縮率的影響比較明顯，呋喃樹脂含量為30%時制得的木陶瓷高度收縮率較大（27.1%),呋喃樹脂含量為600時制得的木陶瓷度收縮率較小(20.7%),兩者相差6.4%?？梢?，呋喃樹脂的炭化體積收縮率小于竹粉的炭化體積收縮率。

34木陶瓷的表觀密度

圖4為呋喃樹脂含量與木陶瓷表觀密度的關(guān)系圖。由圖5可以看出，隨著呋喃樹脂含量的增大，木陶瓷的表觀密度增大。這是因為呋喃樹脂含量越大，生成的玻璃炭越多，如圖2所示，玻璃炭結(jié)構(gòu)致密而竹炭孔隙較多，玻璃炭的密度應(yīng)大于竹炭密度，且較多的玻璃炭除可以覆蓋在竹炭表面，還可以填補到竹炭內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)與竹炭之間的間隙中，從而使得木陶瓷的表觀密度隨之增大。

35木陶瓷體積電阻率

圖5為呋喃樹脂含量與木陶瓷體積電阻率的關(guān)系圖。由圖5可以看出，木陶瓷的體積電阻率與呋喃樹脂含量有關(guān)，木陶瓷的體積電阻率隨著呋喃樹脂含量的增大而顯著減小。木陶瓷中電阻包含竹炭電阻、玻璃炭電阻、界面電阻三個部分，其中玻璃炭的電阻率遠小于竹炭的電阻率。隨著呋喃樹脂含量的增大，生成的玻璃炭的比例增大，與此同時，玻璃炭與竹炭界面增大（女口圖2所示），界面電阻率減小，因此使得木陶瓷總的電阻率減小。這與zhao等的研究結(jié)果一致，電阻率的大小與兩種組分炭的界面結(jié)合有關(guān)，界面結(jié)合越強，意味著玻璃炭與多孔炭之間的接觸點越多，即電阻率越小，換句話說也就是生成的玻璃炭越多，電阻率就越小。

4結(jié)論

(1)以呋喃樹脂與竹粉為原料，經(jīng)過原料混合，模壓成型與高溫炭化制備木陶瓷的工藝是可行的；

(2)木陶瓷是由竹炭與玻璃炭構(gòu)成的復(fù)合炭材料，呋喃樹脂含量對其石墨微晶結(jié)構(gòu)的完善性影響不大；

(3)呋喃樹脂含量對木陶瓷的炭得率、體積收縮率、密度和導(dǎo)電性具有一定的影響。呋喃樹脂含量越高,炭得率和密度越大，導(dǎo)電性越好，體積收縮率越小。