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工而成，具有一定程度的各向(xiang)(xiang)异(yi)性(xing)，不同方向(xiang)(xiang)的热导率分(fen)布为40~180W/（m·K），密度为0.2~0.6g/cm3，这(zhei)种泡沫结构(gou)的高导热来源(yuan)于其(qi)高度石墨化的骨架结构(gou)，沿骨架壁结构的热导率可高达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(shi)墨(mo)泡沫的SEM图(tu)像(xiang)&PCM/石(shi)墨(mo)泡沫复合材(cai)料的SEM图(tu)像(xiang)

PCM相变材(cai)(cai)料(liao)；石(shi)蜡是(shi)相变材(cai)(cai)料(liao)的(de)一种；石(shi)墨泡沫（泡沫碳）与石(shi)蜡复合相变热管理系(xi)统

炭(tan)泡沫是(shi)一种具(ju)有(you)三维(wei)网状(zhuang)结构的多孔轻(qing)质炭(tan)材料，它除具(ju)有(you)炭(tan)材料的常规(gui)性(xing)能外，还具(ju)有(you)孔隙(xi)率、导(dao)(dao)热(re)率、导(dao)(dao)电(dian)性(xing)、密度和抗压(ya)强度可(ke)调控的特(te)点(dian)，炭泡沫的诸多优异性能(neng)，预示(shi)着(zhe)其在热(re)管理材(cai)料(liao)(liao)、电(dian)磁屏蔽与吸(xi)(xi)波材(cai)料(liao)(liao)、电(dian)极材(cai)料(liao)(liao)、气(qi)体(ti)吸(xi)(xi)附剂(ji)、催化剂(ji)载体(ti)和生物材(cai)料(liao)(liao)等领域(yu)巨大的应用(yong)前景。

POCO‑HTC™开孔石墨泡沫

POCO‑HTC™开孔石墨(mo)泡沫

为(wei)了降(jiang)低炭(tan)泡沫(mo)(mo)制备成本并提高(gao)其性(xing)能，研究者尝(chang)试用不同前驱(qu)体(ti)制备炭(tan)泡沫(mo)(mo)，目前最常用的前驱(qu)体(ti)分为(wei)４类(lei)：有机(ji)聚合物(wu)、中间相(xiang)沥(li)青、煤和生(sheng)物(wu)质。

1、以有机聚合物(wu)为前驱体(ti)制备(bei)炭泡(pao)沫(mo)

最早的(de)泡沫炭(tan)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，孔壁呈非石墨化状态，导热(re)率低，表(biao)现(xian)出优异的(de)绝(jue)(jue)热(re)性(xing)能，可用(yong)作高(gao)温绝(jue)(jue)热(re)材料。通(tong)常，这种泡(pao)沫(mo)炭又被称作网状玻璃态泡(pao)沫(mo)炭(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

网状玻(bo)璃碳泡(pao)沫（RVC）电极材料

利(li)用有机高聚物为原(yuan)料制得的泡(pao)(pao)沫(mo)炭大多为非(fei)石(shi)墨化(hua)泡(pao)(pao)沫(mo)炭，其导(dao)热系数低，主要用作耐高温(wen)的保温(wen)材(cai)料、电极材(cai)料和催化(hua)剂载体(ti)。

工(gong)艺(yi)路线1（发泡剂发泡法）：聚(ju)合物(wu)(wu)中加入(ru)发泡剂及其它(ta)添加剂，在高(gao)压(ya)下加热聚(ju)合物(wu)(wu)至熔化(hua)温(wen)度(du)(du)后，逐渐减小压(ya)力(li)，在发泡剂逐渐挥发的同时留下空间，使(shi)聚(ju)合物(wu)(wu)体(ti)相(xiang)形成泡沫(mo)结(jie)构，经过(guo)(guo)后续的高(gao)温(wen)炭化(hua)处理(li)后得到刚性(xing)结(jie)构的泡沫(mo)炭。若前驱体(ti)树(shu)脂为热塑性(xing)树(shu)脂，在炭化(hua)前还需(xu)经过(guo)(guo)氧化(hua)、固化(hua)过(guo)(guo)程。而在实际应用中，有时为了(le)提(ti)高(gao)树(shu)脂基炭泡沫(mo)的强(qiang)度(du)(du)，即(ji)使(shi)是以热固性(xing)树(shu)脂为前驱体(ti)，也要(yao)在炭化(hua)前进行(xing)氧化(hua)处理(li)。

发泡剂发泡法制备炭泡沫的工艺

发泡剂发泡法(fa)制备炭泡沫的(de)工艺

工艺路(lu)线2（模板法）：以有机(ji)聚合物为(wei)碳源，采(cai)用(yong)模板法(fa)制备泡(pao)(pao)沫炭(tan)，能够较好地控制产物泡(pao)(pao)沫炭(tan)的结(jie)构(gou)和(he)形貌，是近年来(lai)发展(zhan)起来(lai)的一种(zhong)新(xin)的泡(pao)(pao)沫炭(tan)制备方法(fa)。首先将有机(ji)聚合物与模板均匀混合，然(ran)后在高温下炭(tan)化，模板在高温下分解或(huo)用(yong)化学方法(fa)脱除。然(ran)而受到模板的限(xian)制又会出现局部闭(bi)孔(kong)影(ying)响(xiang)其结(jie)构(gou)和(he)性能。

2、以(yi)中间相沥(li)青为前驱体制(zhi)备炭泡沫

由于沥(li)青为(wei)易(yi)石(shi)墨化原(yuan)料(liao)，为(wei)改善泡沫(mo)炭的(de)(de)(de)功能性(xing)，如导热、导电(dian)等性(xing)能，人们将(jiang)制备(bei)原(yuan)料(liao)的(de)(de)(de)目光转向(xiang)了(le)沥(li)青。但沥(li)青的(de)(de)(de)杂质含量高，组(zu)分(fen)的(de)(de)(de)分(fen)子量分(fen)布范(fan)围宽，一般(ban)需要进行热缩(suo)聚、加氢(qing)和溶剂萃取(qu)等处理(li)，以便富集(ji)合理(li)的(de)(de)(de)组(zu)分(fen)。研究表明，以中(zhong)间相沥(li)青为(wei)原(yuan)料(liao)制备(bei)的(de)(de)(de)泡沫(mo)炭可以形成高度有序的(de)(de)(de)石(shi)墨化结构，因而具有良好的(de)(de)(de)导热和导电(dian)性(xing)能。沥(li)青中(zhong)间相（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(mei)国空军院材料实验室Hager，等(deng)尝试用中间(jian)相沥(li)青(qing)为前(qian)驱体通过(guo)造泡(pao)（Blowing）技术(shu)制(zhi)备(bei)炭(tan)泡(pao)沫，即中间(jian)相沥(li)青(qing)在高(gao)压下充分发泡(pao)，然后再经氧(yang)化(hua)预处(chu)理(li)、炭(tan)化(hua)、石墨化(hua)等(deng)过(guo)程制(zhi)得炭(tan)泡(pao)沫，该(gai)方法拓展了前(qian)驱体的(de)(de)来源，且沥(li)青(qing)基炭(tan)泡(pao)沫经高(gao)温处(chu)理(li)时，还会(hui)呈现出各向异性。近年来，有关(guan)原料沥(li)青(qing)的(de)(de)调制(zhi)和(he)制(zhi)备(bei)技术(shu)的(de)(de)改进(jin)已(yi)然成(cheng)为该(gai)领域的(de)(de)热点。

研究表(biao)明，以中间相(xiang)沥青为原料制备的泡沫炭可以形成(cheng)高度有序的石(shi)墨化结(jie)构，因(yin)而具有良好的导热和(he)导电(dian)性能。

拓展阅读（石墨导电原(yuan)因见下文↓↓）：

CFOAM官网

产(chan)品示例：CFOAM官网（原文表述见上截图）对其石(shi)墨泡(pao)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，由中间相沥青原料生产。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、以煤和煤系物为原料

为了降(jiang)低炭泡沫的制(zhi)备(bei)成本(ben)，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(li)：Rogers在沥青的(de)软(ruan)化点以上，将自由膨胀(zhang)序数为(wei)3.5~5的(de)煤与石油(you)沥青或煤沥青按照质量比为(wei)1％~10％进行热混(hun)合制备炭(tan)泡沫(mo)。得到的(de)炭(tan)泡沫(mo)的(de)密度0.05~0.1gｇ/cm3，孔径小于500μｍ，抗(kang)压(ya)强度为(wei)13790~41370kPa，导热率为(wei)1.0W/（m·K）。

煤基泡沫(mo)(mo)炭具有(you)前体成本低廉、来源广泛(fan)，制备(bei)工艺相对简便等优(you)势，与(yu)其相关的研究工作不断深化。在未来的一个阶段，煤基泡沫(mo)(mo)炭有(you)望(wang)成为(wei)泡沫(mo)(mo)炭研究领域中一个新的热(re)点(dian)。

4、以生(sheng)物质(zhi)为原料制备炭(tan)泡沫

通过固化(hua)(hua)(hua)天(tian)然软(ruan)木颗粒，再经炭化(hua)(hua)(hua)和石墨化(hua)(hua)(hua)而制(zhi)得耐(nai)高温(wen)且绝缘的(de)炭泡沫，该技(ji)术(shu)降低了生产成本(ben)，且开(kai)启(qi)了生物质制(zhi)备(bei)炭泡沫的(de)先(xian)河。近年(nian)来，以可再生的(de)生物质为(wei)原料制(zhi)备(bei)炭泡沫，已(yi)经成为(wei)炭泡沫制(zhi)备(bei)领域(yu)的(de)热点课题。

哈工大烤面包造出了碳泡沫材料性能优异

哈工(gong)大烤面(mian)包造出(chu)了(le)碳泡沫材料性(xing)能优异(yi)

Molina-Sabio等(deng)将橄榄壳置于不(bu)(bu)锈钢反应器中(zhong)(zhong)，加压后引入水蒸气，在沙浴(yu)中(zhong)(zhong)加热得到泡(pao)沫炭：Tatsumi等(deng)以蔗糖(tang)为前体(ti)(ti)，采(cai)用硅泡(pao)沫为模板，通过改(gai)变蔗糖(tang)的(de)浸渍量得到孔径不(bu)(bu)同的(de)泡(pao)沫炭。ZhuangjunFan、以香蒲为炭源，经一步炭化活化法制得多孔炭泡(pao)沫，其中KOH作为活化(hua)剂能(neng)够(gou)促进生(sheng)物(wu)(wu)聚合物(wu)(wu)的热分解，且有助于形成多孔系统。所制备的炭泡(pao)沫具有较高的比表面积和交联孔径结构。

小总(zong)结：

树脂(zhi)基炭泡沫具有多孔、绝热(re)、绝缘和强度较(jiao)低的特性(xing)，因此主要(yao)作为功能材料而广(guang)泛应用于绝热隔热、过滤和催化(hua)剂载体等领域。

与(yu)树(shu)脂(zhi)基炭泡(pao)沫相比，中间相沥青基炭泡(pao)沫不(bu)仅可(ke)以用(yong)作功能材料(liao)，也可以用(yong)作结构材料(liao)，因而在(zai)宇航、国(guo)防和商业等潜(qian)在(zai)市场(chang)具(ju)有异常广阔的应(ying)用前景，如作为结构材料，可用于飞机、轮(lun)船等的耐火(huo)门窗及取代刹车片中的炭(tan)纤维编织体(ti)；而(er)作为(wei)功能材(cai)料(liao)，基于其导热特性(xing)可以用于卫星(xing)、航天飞机等飞行器的(de)(de)防(fang)太阳辐射热转移系统、普通化(hua)工(gong)厂的(de)(de)大型热交换器(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；基于其吸能(neng)吸波特(te)性，可以用(yong)于火箭发射台面作(zuo)为抗冲击和(he)降低噪声材料(liao)或用(yong)于小型(xing)飞机、赛(sai)车、赛(sai)艇、轮(lun)船等快(kuai)速运(yun)行(xing)机动(dong)工具的端部(bu)，使它们在突发的撞击事故(gu)中受到保护；而(er)基于其(qi)多孔、绝热绝缘特性方面的应用与(yu)树脂基炭泡沫大体相同，另外(wai)还可以用作储能(neng)材(cai)(cai)料和生物材(cai)(cai)料等等。