泡沫炭

泡沫状多孔质的炭素材料

泡沫炭（foam carbon）是指泡沫状多孔质的炭素材料。泡沫炭是一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料。除具有炭材料的常规性能外，泡沫炭还具有密度小、强度高、抗热震、易加工等特性和良好的导电、导热、吸波等物理和化学性能，通过与金属或非金属复合，可以获得高性能的结构材料。这些优异的性能使泡沫炭在化工、航空航天、电子等诸多技术领域极具应用潜力。泡沫炭材料的研究内容涉及新原料的选择与调变、制备工艺技术的开发和优化、产品的微观结构、材料的力学性能、热性能的揭示和调控以及最佳应用途径的拓展等各个方面。

简介

泡沫炭（foam carbon）是指泡沫状多孔质的炭素材料。

特点及其应用

泡沫炭是一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料。除具有炭材料的常规性能外，泡沫炭还具有密度小、强度高、抗热震、易加工等特性和良好的导电、导热、吸波等物理和化学性能，通过与金属或非金属复合，可以获得高性能的结构材料。这些优异的性能使泡沫炭在化工、航空航天、电子等诸多技术领域极具应用潜力。泡沫炭材料的研究内容涉及新原料的选择与调变、制备工艺技术的开发和优化、产品的微观结构、材料的力学性能、热性能的揭示和调控以及最佳应用途径的拓展等各个方面。

泡沫炭的结构

泡沫炭孔结构良好，韧带光滑，无裂纹，气泡封闭。泡沫炭具有低透射率(低于1%)、低热膨胀系数（1.15×10-6~4×10-6℃-1）、高热导率和高拉伸强度。典型泡沫炭的微观结构(如图1(a))是由分布在各个方位上结构完整大小不一的中空微球，由有机物挥发形成的内空隙和泡沫基体组成的。泡沫炭在偏振光下呈现出局部开孔、韧带细、间隔薄的不同形状大小、结构紧密的球体光学结构(如图1(b))。典型泡沫炭有较高的强度/密度比，其压缩强度为25.8MPa，体积密度为0.69g/cm3。低密度的泡沫炭具有良好的力学性能，其中密度为0. 1g/cm3下的泡沫炭具有2GPa的压缩模量。

根据石墨化程度不同，泡沫炭分为石墨化和非石墨化两种结构，这两种结构都有较高的开孔率，其相对密度与其导电和导热性能成线性关系。

根据孔状结构不同，泡沫炭分为网状泡沫和多孔状泡沫。网状泡沫是由泡沫组成的交织的网状结构，密度为0.08~0.80g/cm3；多孔泡沫炭是由细胞壁上出现小针孔状的空心球体组成的多孔结构，密度在0. 35 ~0. 80 g/cm3。在制备上述两种泡沫炭的过程中，起泡压力是影响孔形貌结构的主要因素。

泡沫炭的制备原料

国内外使用不同的前躯体制备泡沫炭并对其性质进行研究，不同的前躯体制备出的泡沫炭的性质各异(表1)。国内外制备泡沫炭的前躯体主要以沥青、聚氨酯、酚醛树脂和生物质为主。

泡沫炭的制备方法

（1）超临界法

超临界法是通过选用合适前驱体、超临界溶剂，改变压力、温度、压力释放速率、溶剂比例以及保温时间等发泡条件制备泡沫炭前驱体，然后进行氧化、炭化以及石墨化，可得到孔泡结构发达、孔径分布均匀、开孔率高、孔尺寸小的泡沫炭。

（2）模板法

模板法可制备出不同形状、无裂纹、不收缩的泡沫炭，泡沫炭的宏观、微孔形貌及尺寸由选用的模板及工艺条件决定。该法制备的泡沫炭强度较低、周期较长，但在净化、催化剂载体和储能方面展示出较大潜力。

（3）辐射法

Xing等以低密度聚乙烯为原料在封闭容器内通过Co射线辐射制备出交联聚乙烯微孔泡沫炭。

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