炭泡沫材料真有才！导热也行，绝热也行！

日期：2022-02-28 浏览次数：次

在上(shang)一篇帖子“炭/铝复合导热材料：轻质、高导热、热膨胀系数可调”文中我们有提到“高导热泡沫碳通过中间相沥青加(jia)工(gong)而成(cheng)，具有一定程度的(de)各向异性，不同方(fang)向的(de)热导率分(fen)布为40~180W/（m·K），密度为0.2~0.6g/cm3，这种泡沫(mo)结构(gou)的高导热来源于其(qi)高度石墨化的骨架结构(gou)，沿骨架壁结(jie)构的热导率(lv)可高达1800W/（m·K）以上，其特定泡沫结构可用于相变导热材料的高导热骨架。”当然，这仅仅是炭泡沫的应用案例的一个小部分，本篇帖子将与大家一起探索一下才华横溢的“炭泡沫”的制备方法及应用领域。

石墨泡沫

石墨(mo)泡沫的SEM图(tu)像(xiang)&PCM/石墨(mo)泡沫复合(he)材料(liao)的SEM图(tu)像(xiang)

PCM相变材(cai)料；石蜡(la)是(shi)相变材(cai)料的(de)一(yi)种；石墨泡沫(mo)（泡沫(mo)碳(tan)）与石蜡(la)复合(he)相变热管(guan)理系统

炭泡沫是一种具(ju)有(you)三维(wei)网状结构的多孔轻质炭材料(liao)，它除具(ju)有(you)炭材料(liao)的常规性能(neng)外，还具(ju)有(you)孔隙率、导热率、导电性、密度和抗压强度可调控的特点，炭泡沫的诸多优异(yi)性能，预示着(zhe)其在热(re)管(guan)理材料、电(dian)磁屏蔽与吸(xi)波材料、电(dian)极材料、气体吸(xi)附(fu)剂、催化剂载体和生物材料等领域巨大(da)的应用前景(jing)。

POCO‑HTC™开孔石墨泡沫

POCO‑HTC™开孔(kong)石墨泡沫

为(wei)了降(jiang)低炭(tan)泡沫制备成(cheng)本并(bing)提高其性(xing)能，研(yan)究者尝(chang)试用不同前(qian)驱(qu)体制备炭(tan)泡沫，目前(qian)最常用的前(qian)驱(qu)体分为(wei)４类(lei)：有机聚合物、中间相(xiang)沥(li)青、煤和生物质。

1、以有(you)机聚合物为前驱体(ti)制备炭泡沫(mo)

最早的泡沫炭是WalterFord在20世纪60年代初热解热固性酚醛泡沫而制得的，这种泡沫炭具有非常高的开孔率，孔(kong)壁呈(cheng)非石(shi)墨化(hua)状态，导热(re)率低，表现(xian)出优异的绝(jue)热(re)性能(neng)，可用作(zuo)高温绝(jue)热(re)材料。通(tong)常，这种泡沫炭(tan)又被称作网状玻璃态泡沫炭(tan)(Reticulated，vitreous，carbon，foam，RVC)。Ford的工作问世后，人们尝试用多种有机聚合物作为制备原料合成泡沫炭。

网状玻璃碳泡沫（RVC）电极材料

利用有(you)机高聚物为(wei)原(yuan)料(liao)制(zhi)得(de)的泡(pao)沫(mo)炭(tan)大(da)多为(wei)非石墨化泡(pao)沫(mo)炭(tan)，其导热系数低，主要用作(zuo)耐(nai)高温的保温材料(liao)、电极(ji)材料(liao)和催化剂载(zai)体。

工(gong)艺路线1（发泡剂发泡法）：聚合物中(zhong)加(jia)入发(fa)泡(pao)(pao)(pao)剂(ji)及其它添加(jia)剂(ji)，在(zai)高(gao)压下(xia)加(jia)热(re)(re)聚合物至(zhi)熔化(hua)(hua)(hua)(hua)温度后(hou)(hou)，逐(zhu)渐(jian)减小压力，在(zai)发(fa)泡(pao)(pao)(pao)剂(ji)逐(zhu)渐(jian)挥发(fa)的(de)同(tong)时(shi)留下(xia)空间，使(shi)聚合物体(ti)相形成泡(pao)(pao)(pao)沫结构，经(jing)过后(hou)(hou)续的(de)高(gao)温炭(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)处理后(hou)(hou)得到刚(gang)性结构的(de)泡(pao)(pao)(pao)沫炭(tan)。若前(qian)驱(qu)体(ti)树(shu)(shu)脂(zhi)为热(re)(re)塑性树(shu)(shu)脂(zhi)，在(zai)炭(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)前(qian)还需经(jing)过氧化(hua)(hua)(hua)(hua)、固化(hua)(hua)(hua)(hua)过程。而在(zai)实际应用中(zhong)，有时(shi)为了提(ti)高(gao)树(shu)(shu)脂(zhi)基炭(tan)泡(pao)(pao)(pao)沫的(de)强(qiang)度，即使(shi)是以热(re)(re)固性树(shu)(shu)脂(zhi)为前(qian)驱(qu)体(ti)，也(ye)要在(zai)炭(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)前(qian)进行(xing)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)处理。

发泡剂发泡法制备炭泡沫的工艺

发泡剂发泡法制(zhi)备(bei)炭(tan)泡沫(mo)的工艺

工艺路线2（模板法）：以有(you)机聚合物为(wei)碳源(yuan)，采(cai)用(yong)模板(ban)法(fa)制(zhi)备泡(pao)沫炭(tan)(tan)，能够(gou)较好(hao)地(di)控制(zhi)产物泡(pao)沫炭(tan)(tan)的结(jie)构和形貌，是近年来发(fa)展(zhan)起(qi)来的一种新的泡(pao)沫炭(tan)(tan)制(zhi)备方法(fa)。首先将有(you)机聚合物与(yu)模板(ban)均匀混(hun)合，然后在高温下(xia)(xia)炭(tan)(tan)化，模板(ban)在高温下(xia)(xia)分(fen)解或用(yong)化学方法(fa)脱(tuo)除。然而受到(dao)模板(ban)的限(xian)制(zhi)又(you)会出现(xian)局(ju)部(bu)闭孔影响其结(jie)构和性能。

2、以中(zhong)间相沥青为前驱(qu)体(ti)制备炭泡沫

由(you)于沥青为(wei)易石(shi)(shi)墨化原(yuan)(yuan)料(liao)，为(wei)改(gai)善泡沫炭(tan)的功能(neng)性(xing)，如(ru)导热(re)、导电等性(xing)能(neng)，人(ren)们(men)将制备原(yuan)(yuan)料(liao)的目光(guang)转向了沥青。但沥青的杂(za)质含量高，组(zu)(zu)分(fen)的分(fen)子量分(fen)布范围宽，一般需要进(jin)行热(re)缩(suo)聚、加(jia)氢和溶剂(ji)萃(cui)取等处理，以便(bian)富集合理的组(zu)(zu)分(fen)。研究表(biao)明，以中(zhong)间(jian)相沥青为(wei)原(yuan)(yuan)料(liao)制备的泡沫炭(tan)可以形成高度有序的石(shi)(shi)墨化结构(gou)，因而具有良好的导热(re)和导电性(xing)能(neng)。沥青中(zhong)间(jian)相（mesophasepitch，简称MP）是一种由相对分子质量为370～2000的多种扁盘状稠环芳烃组成的混合物，又叫液晶相沥青。

1992年，美国空军院材料(liao)(liao)实验室Hager，等尝(chang)试(shi)用中间(jian)相(xiang)沥青(qing)为前驱(qu)体(ti)(ti)通(tong)过(guo)造(zao)泡(pao)（Blowing）技术(shu)制备炭泡(pao)沫，即中间(jian)相(xiang)沥青(qing)在高(gao)压(ya)下充分发泡(pao)，然后再经(jing)(jing)氧化预(yu)处(chu)理、炭化、石墨化等过(guo)程制得炭泡(pao)沫，该(gai)方(fang)法拓展了前驱(qu)体(ti)(ti)的(de)来(lai)源，且沥青(qing)基炭泡(pao)沫经(jing)(jing)高(gao)温处(chu)理时，还会呈(cheng)现出各向(xiang)异性(xing)。近年来(lai)，有关原料(liao)(liao)沥青(qing)的(de)调制和制备技术(shu)的(de)改进已然成为该(gai)领域的(de)热(re)点。

研(yan)究表明，以(yi)中间相(xiang)沥青为(wei)原料制备的泡沫炭可以(yi)形(xing)成高度有(you)序的石(shi)墨化结构，因(yin)而具(ju)有(you)良好的(de)导热(re)和导电性能。

拓展阅读（石墨(mo)导电原(yuan)因见(jian)下文↓↓）：

CFOAM官网

产(chan)品(pin)示例(li)：CFOAM官网（原文表述见上截图(tu)）对其石墨泡沫产品“CFOAM®35HTC”的描述：CFOAM®35HTC石墨泡沫是一种石墨化、轻质、高取向和开孔的碳泡沫，由(you)中间相沥(li)青原料生(sheng)产。CFOAM®35HTC石墨泡沫具有与铜和铝相当的高导热性，并显着减轻了重量。除了高导热性外，CFOAM®35HTC还表现出高导电性、高强度和低热膨胀系数。CFOAM®35HTC还易于加工，化学惰性，无腐蚀，耐恶劣环境，抗氧化性高达400°C。我们以一定规模、成本和商业产出率制造和生产CFOAM®35HTC，以渗透已确定的市场，包括但不限于：①LED照明用热管理散热器，减轻重量，延长寿命；②用于商用军用飞机的轻型高效热交换器；③工业热交换器，用于增强单相或多相工业热交换器产品的热传递；④电子元件冷却；汽车应用，在更小、更轻的单元中提供增强的冷却；④太阳能提高光伏板效率。

3、以煤(mei)和煤(mei)系(xi)物为原(yuan)料

为了降低炭泡沫的制备成(cheng)本，1999年美国西弗吉尼亚大学的Stiller教授最早开发了用煤作前驱体制备炭泡沫的技术，通过３种不同的途径从煤中分离出沥青烯，并以其为原料制备各向同性炭泡沫、各向异性炭泡沫和各向异性可调的炭泡沫，至此，煤的预处理和发泡工艺优化成为煤基炭泡沫领域的主要研究内容。

案例：Rogers在沥青(qing)(qing)的(de)软化点(dian)以上，将(jiang)自由膨(peng)胀序(xu)数为(wei)3.5~5的(de)煤(mei)与石油(you)沥青(qing)(qing)或煤(mei)沥青(qing)(qing)按照(zhao)质量比为(wei)1％~10％进行(xing)热混合(he)制备炭泡(pao)沫(mo)。得到的(de)炭泡(pao)沫(mo)的(de)密度(du)0.05~0.1gｇ/cm3，孔径小于(yu)500μｍ，抗(kang)压强度(du)为(wei)13790~41370kPa，导热率为(wei)1.0W/（m·K）。

煤基泡沫炭具(ju)有(you)前(qian)体成(cheng)本低廉、来源(yuan)广泛(fan)，制备工艺相对简便(bian)等优势，与(yu)其相关的(de)研(yan)究(jiu)工作不断(duan)深(shen)化。在(zai)未(wei)来的(de)一(yi)(yi)个(ge)阶段，煤基泡沫炭有(you)望成(cheng)为泡沫炭研(yan)究(jiu)领域(yu)中一(yi)(yi)个(ge)新的(de)热(re)点。

4、以生物质为原料制(zhi)备炭泡(pao)沫

通过固化天然软木(mu)颗(ke)粒，再经(jing)炭(tan)化和石墨化而制得耐高温且绝缘的(de)炭(tan)泡(pao)沫(mo)(mo)，该(gai)技术降(jiang)低了(le)生(sheng)(sheng)(sheng)产成本，且开启了(le)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)质制备(bei)炭(tan)泡(pao)沫(mo)(mo)的(de)先河。近(jin)年(nian)来，以可再生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)质为(wei)(wei)原料制备(bei)炭(tan)泡(pao)沫(mo)(mo)，已经(jing)成为(wei)(wei)炭(tan)泡(pao)沫(mo)(mo)制备(bei)领域(yu)的(de)热点(dian)课题。

哈工大烤面包造出了碳泡沫材料性能优异

哈工大烤面包造出(chu)了碳泡沫材料性能优异

Molina-Sabio等将橄榄(lan)壳置于不锈(xiu)钢反应器(qi)中(zhong)，加(jia)压后引(yin)入水蒸气，在沙(sha)浴中(zhong)加(jia)热得(de)到泡(pao)沫(mo)炭：Tatsumi等以蔗糖为前体，采用硅(gui)泡(pao)沫(mo)为模板，通过改变蔗糖的(de)浸(jin)渍量得(de)到孔(kong)径不同的(de)泡(pao)沫(mo)炭。ZhuangjunFan、以香蒲为炭(tan)源，经一步(bu)炭(tan)化(hua)活化(hua)法制得多孔炭(tan)泡沫，其中(zhong)KOH作为(wei)活化(hua)剂能够促进(jin)生(sheng)物(wu)聚合(he)物(wu)的热分(fen)解(jie)，且有助于形成多孔系统。所制(zhi)备(bei)的炭泡沫具有较高的比表(biao)面(mian)积和(he)交联孔径结构。

小(xiao)总结：

树(shu)脂(zhi)基炭泡(pao)沫具有多孔、绝热(re)、绝缘和(he)强度较低的特性，因(yin)此主要(yao)作为功能材料而(er)广泛应(ying)用于绝热隔(ge)热、过滤(lv)和(he)催化剂(ji)载体等(deng)领域。

与树脂基炭泡沫相比，中间相沥青基炭泡(pao)沫不仅可以用作功(gong)能材料，也可(ke)以(yi)用作结(jie)构(gou)材料(liao)，因而在(zai)(zai)宇航、国防和商业等(deng)潜在(zai)(zai)市(shi)场(chang)具(ju)有异常广阔的应用前景，如作为结构(gou)材料，可用(yong)于飞(fei)机(ji)、轮船等(deng)的(de)耐火门窗(chuang)及(ji)取代刹车(che)片中的(de)炭纤维编(bian)织体；而作为功能材料，基于其(qi)导热(re)特性可以(yi)用于卫星、航天飞(fei)机等飞(fei)行器(qi)的防太阳(yang)辐射(she)热(re)(re)转移系统、普通(tong)化工厂的大型热(re)(re)交(jiao)换器(qi)(尤其是酸碱腐蚀严重的场合特别适用)、计算机CPU的排热器件；基于其吸(xi)能(neng)吸(xi)波特性，可以用(yong)于(yu)火(huo)箭发(fa)射台面作为抗冲击和(he)降低噪声材料或用(yong)于(yu)小型飞机、赛车、赛艇、轮船等快速运行(xing)机动工具的(de)端部，使它们(men)在突(tu)发的撞击(ji)事(shi)故中受到保护(hu)；而基于(yu)其多孔、绝热绝缘特性方面的应用与(yu)树脂基炭泡沫大体(ti)相(xiang)同，另外还可以(yi)用(yong)作(zuo)储能材料和生物材料等等。