炭泡沫材料真有才！導(dǎo)熱也行，絕熱也行！

發(fā)布時(shí)間 | 2022-02-09 01:03 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 1506

石墨

導(dǎo)讀：在上一篇帖子“炭/鋁復(fù)合導(dǎo)熱材料：輕質(zhì)、高導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)可調(diào)”文中我們有提到“高導(dǎo)熱泡沫碳通過中間相瀝青加工而成，具有一定程度的各向異性，不同方向的熱導(dǎo)率分布為40~180W/（m·K），密度...

在上一篇帖子“炭/鋁復(fù)合導(dǎo)熱材料：輕質(zhì)、高導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)可調(diào)”文中我們有提到“高導(dǎo)熱泡沫碳通過中間相瀝青加工而成，具有一定程度的各向異性，不同方向的熱導(dǎo)率分布為40~180W/（m·K），密度為0.2~0.6g/cm3，這種泡沫結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱來源于其高度石墨化的骨架結(jié)構(gòu)，沿骨架壁結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率可高達(dá)1800W/（m·K）以上，其特定泡沫結(jié)構(gòu)可用于相變導(dǎo)熱材料的高導(dǎo)熱骨架。”當(dāng)然，這僅僅是炭泡沫的應(yīng)用案例的一個(gè)小部分，本篇帖子將與大家一起探索一下才華橫溢的“炭泡沫”的制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域。

石墨泡沫

石墨泡沫的SEM圖像&PCM/石墨泡沫復(fù)合材料的SEM圖像

PCM相變材料；石蠟是相變材料的一種；石墨泡沫（泡沫碳）與石蠟復(fù)合相變熱管理系統(tǒng)

炭泡沫是一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔輕質(zhì)炭材料，它除具有炭材料的常規(guī)性能外，還具有孔隙率、導(dǎo)熱率、導(dǎo)電性、密度和抗壓強(qiáng)度可調(diào)控的特點(diǎn)，炭泡沫的諸多優(yōu)異性能，預(yù)示著其在熱管理材料、電磁屏蔽與吸波材料、電極材料、氣體吸附劑、催化劑載體和生物材料等領(lǐng)域巨大的應(yīng)用前景。

POCO?HTC?開孔石墨泡沫

為了降低炭泡沫制備成本并提高其性能，研究者嘗試用不同前驅(qū)體制備炭泡沫，目前最常用的前驅(qū)體分為４類：有機(jī)聚合物、中間相瀝青、煤和生物質(zhì)。

1、以有機(jī)聚合物為前驅(qū)體制備炭泡沫

最早的泡沫炭是WalterFord在20世紀(jì)60年代初熱解熱固性酚醛泡沫而制得的，這種泡沫炭具有非常高的開孔率，孔壁呈非石墨化狀態(tài)，導(dǎo)熱率低，表現(xiàn)出優(yōu)異的絕熱性能，可用作高溫絕熱材料。通常，這種泡沫炭又被稱作網(wǎng)狀玻璃態(tài)泡沫炭(Reticulated，vitreous，carbon，foam，RVC)。Ford的工作問世后，人們嘗試用多種有機(jī)聚合物作為制備原料合成泡沫炭。

網(wǎng)狀玻璃碳泡沫（RVC）電極材料

利用有機(jī)高聚物為原料制得的泡沫炭大多為非石墨化泡沫炭，其導(dǎo)熱系數(shù)低，主要用作耐高溫的保溫材料、電極材料和催化劑載體。

工藝路線1（發(fā)泡劑發(fā)泡法）：聚合物中加入發(fā)泡劑及其它添加劑，在高壓下加熱聚合物至熔化溫度后，逐漸減小壓力，在發(fā)泡劑逐漸揮發(fā)的同時(shí)留下空間，使聚合物體相形成泡沫結(jié)構(gòu)，經(jīng)過后續(xù)的高溫炭化處理后得到剛性結(jié)構(gòu)的泡沫炭。若前驅(qū)體樹脂為熱塑性樹脂，在炭化前還需經(jīng)過氧化、固化過程。而在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)為了提高樹脂基炭泡沫的強(qiáng)度，即使是以熱固性樹脂為前驅(qū)體，也要在炭化前進(jìn)行氧化處理。

發(fā)泡劑發(fā)泡法制備炭泡沫的工藝

工藝路線2（模板法）：以有機(jī)聚合物為碳源，采用模板法制備泡沫炭，能夠較好地控制產(chǎn)物泡沫炭的結(jié)構(gòu)和形貌，是近年來發(fā)展起來的一種新的泡沫炭制備方法。首先將有機(jī)聚合物與模板均勻混合，然后在高溫下炭化，模板在高溫下分解或用化學(xué)方法脫除。然而受到模板的限制又會(huì)出現(xiàn)局部閉孔影響其結(jié)構(gòu)和性能。

2、以中間相瀝青為前驅(qū)體制備炭泡沫

由于瀝青為易石墨化原料，為改善泡沫炭的功能性，如導(dǎo)熱、導(dǎo)電等性能，人們將制備原料的目光轉(zhuǎn)向了瀝青。但瀝青的雜質(zhì)含量高，組分的分子量分布范圍寬，一般需要進(jìn)行熱縮聚、加氫和溶劑萃取等處理，以便富集合理的組分。研究表明，以中間相瀝青為原料制備的泡沫炭可以形成高度有序的石墨化結(jié)構(gòu)，因而具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。瀝青中間相（mesophasepitch，簡(jiǎn)稱MP）是一種由相對(duì)分子質(zhì)量為370～2000的多種扁盤狀稠環(huán)芳烴組成的混合物，又叫液晶相瀝青。

1992年，美國空軍院材料實(shí)驗(yàn)室Hager，等嘗試用中間相瀝青為前驅(qū)體通過造泡（Blowing）技術(shù)制備炭泡沫，即中間相瀝青在高壓下充分發(fā)泡，然后再經(jīng)氧化預(yù)處理、炭化、石墨化等過程制得炭泡沫，該方法拓展了前驅(qū)體的來源，且瀝青基炭泡沫經(jīng)高溫處理時(shí)，還會(huì)呈現(xiàn)出各向異性。近年來，有關(guān)原料瀝青的調(diào)制和制備技術(shù)的改進(jìn)已然成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

研究表明，以中間相瀝青為原料制備的泡沫炭可以形成高度有序的石墨化結(jié)構(gòu)，因而具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。

拓展閱讀（石墨導(dǎo)電原因見下文↓↓）：

白石墨六方氮化硼與石墨結(jié)構(gòu)相似，為啥h-BN不導(dǎo)電？

CFOAM官網(wǎng)

產(chǎn)品示例：CFOAM官網(wǎng)（原文表述見上截圖）對(duì)其石墨泡沫產(chǎn)品“CFOAM?35HTC”的描述：CFOAM?35HTC石墨泡沫是一種石墨化、輕質(zhì)、高取向和開孔的碳泡沫，由中間相瀝青原料生產(chǎn)。CFOAM?35HTC石墨泡沫具有與銅和鋁相當(dāng)?shù)母邔?dǎo)熱性，并顯著減輕了重量。除了高導(dǎo)熱性外，CFOAM?35HTC還表現(xiàn)出高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)。CFOAM?35HTC還易于加工，化學(xué)惰性，無腐蝕，耐惡劣環(huán)境，抗氧化性高達(dá)400°C。我們以一定規(guī)模、成本和商業(yè)產(chǎn)出率制造和生產(chǎn)CFOAM?35HTC，以滲透已確定的市場(chǎng)，包括但不限于：①LED照明用熱管理散熱器，減輕重量，延長壽命；②用于商用軍用飛機(jī)的輕型高效熱交換器；③工業(yè)熱交換器，用于增強(qiáng)單相或多相工業(yè)熱交換器產(chǎn)品的熱傳遞；④電子元件冷卻；汽車應(yīng)用，在更小、更輕的單元中提供增強(qiáng)的冷卻；④太陽能提高光伏板效率。

3、以煤和煤系物為原料

為了降低炭泡沫的制備成本，1999年美國西弗吉尼亞大學(xué)的Stiller教授最早開發(fā)了用煤作前驅(qū)體制備炭泡沫的技術(shù)，通過３種不同的途徑從煤中分離出瀝青烯，并以其為原料制備各向同性炭泡沫、各向異性炭泡沫和各向異性可調(diào)的炭泡沫，至此，煤的預(yù)處理和發(fā)泡工藝優(yōu)化成為煤基炭泡沫領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容。

案例：Rogers在瀝青的軟化點(diǎn)以上，將自由膨脹序數(shù)為3.5~5的煤與石油瀝青或煤瀝青按照質(zhì)量比為1％~10％進(jìn)行熱混合制備炭泡沫。得到的炭泡沫的密度0.05~0.1gｇ/cm3，孔徑小于500μｍ，抗壓強(qiáng)度為13790~41370kPa，導(dǎo)熱率為1.0W/（m·K）。

煤基泡沫炭具有前體成本低廉、來源廣泛，制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，與其相關(guān)的研究工作不斷深化。在未來的一個(gè)階段，煤基泡沫炭有望成為泡沫炭研究領(lǐng)域中一個(gè)新的熱點(diǎn)。

4、以生物質(zhì)為原料制備炭泡沫

通過固化天然軟木顆粒，再經(jīng)炭化和石墨化而制得耐高溫且絕緣的炭泡沫，該技術(shù)降低了生產(chǎn)成本，且開啟了生物質(zhì)制備炭泡沫的先河。近年來，以可再生的生物質(zhì)為原料制備炭泡沫，已經(jīng)成為炭泡沫制備領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

哈工大烤面包造出了碳泡沫材料性能優(yōu)異

Molina-Sabio等將橄欖殼置于不銹鋼反應(yīng)器中，加壓后引入水蒸氣，在沙浴中加熱得到泡沫炭：Tatsumi等以蔗糖為前體，采用硅泡沫為模板，通過改變蔗糖的浸漬量得到孔徑不同的泡沫炭。ZhuangjunFan、以香蒲為炭源，經(jīng)一步炭化活化法制得多孔炭泡沫，其中KOH作為活化劑能夠促進(jìn)生物聚合物的熱分解，且有助于形成多孔系統(tǒng)。所制備的炭泡沫具有較高的比表面積和交聯(lián)孔徑結(jié)構(gòu)。

小總結(jié)：

樹脂基炭泡沫具有多孔、絕熱、絕緣和強(qiáng)度較低的特性，因此主要作為功能材料而廣泛應(yīng)用于絕熱隔熱、過濾和催化劑載體等領(lǐng)域。

與樹脂基炭泡沫相比，中間相瀝青基炭泡沫不僅可以用作功能材料，也可以用作結(jié)構(gòu)材料，因而在宇航、國防和商業(yè)等潛在市場(chǎng)具有異常廣闊的應(yīng)用前景，如作為結(jié)構(gòu)材料，可用于飛機(jī)、輪船等的耐火門窗及取代剎車片中的炭纖維編織體；而作為功能材料，基于其導(dǎo)熱特性可以用于衛(wèi)星、航天飛機(jī)等飛行器的防太陽輻射熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、普通化工廠的大型熱交換器(尤其是酸堿腐蝕嚴(yán)重的場(chǎng)合特別適用)、計(jì)算機(jī)CPU的排熱器件；基于其吸能吸波特性，可以用于火箭發(fā)射臺(tái)面作為抗沖擊和降低噪聲材料或用于小型飛機(jī)、賽車、賽艇、輪船等快速運(yùn)行機(jī)動(dòng)工具的端部，使它們?cè)谕话l(fā)的撞擊事故中受到保護(hù)；而基于其多孔、絕熱絕緣特性方面的應(yīng)用與樹脂基炭泡沫大體相同，另外還可以用作儲(chǔ)能材料和生物材料等等。