炭泡沫材料真有才！导热也行，绝热也行！ - 技术科普 - 新闻动态

炭泡沫材料真有才！導熱也行，絕熱也行！

日期：2022-02-28 瀏覽次數：次

在上一篇帖子“炭/鋁復合導熱材料：輕質、高導熱、熱膨脹系數可調”文中我們有提到“高導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，不同方向的熱導率分布為40~180W/（m·K），密度為0.2~0.6g/cm3，這種泡沫結構的高導熱來源于其高度石墨化的骨架結構，沿骨架壁結構的熱導率可高達1800W/（m·K）以上，其特定泡沫結構可用于相變導熱材料的高導熱骨架。”當然，這僅僅是炭泡沫的應用案例的一個小部分，本篇帖子將與大家一起探索一下才華橫溢的“炭泡沫”的制備方法及應用領域。

石墨泡沫

石墨泡沫的SEM圖像&PCM/石墨泡沫復合材料的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）與石蠟復合相變熱管理系統

炭泡沫是一種具有三維網狀結構的多孔輕質炭材料，它除具有炭材料的常規性能外，還具有孔隙率、導熱率、導電性、密度和抗壓強度可調控的特點，炭泡沫的諸多優異性能，預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域巨大的應用前景。

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體制備炭泡沫，目前最常用的前驅體分為４類：有機聚合物、中間相瀝青、煤和生物質。

1、以有機聚合物為前驅體制備炭泡沫

最早的泡沫炭是WalterFord在20世紀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，導熱率低，表現出優異的絕熱性能，可用作高溫絕熱材料。通常，這種泡沫炭又被稱作網狀玻璃態泡沫炭(Reticulated，vitreous，carbon，foam，RVC)。Ford的工作問世后，人們嘗試用多種有機聚合物作為制備原料合成泡沫炭。

網狀玻璃碳泡沫（RVC）電極材料

利用有機高聚物為原料制得的泡沫炭大多為非石墨化泡沫炭，其導熱系數低，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（發泡劑發泡法）：聚合物中加入發泡劑及其它添加劑，在高壓下加熱聚合物至熔化溫度后，逐漸減小壓力，在發泡劑逐漸揮發的同時留下空間，使聚合物體相形成泡沫結構，經過后續的高溫炭化處理后得到剛性結構的泡沫炭。若前驅體樹脂為熱塑性樹脂，在炭化前還需經過氧化、固化過程。而在實際應用中，有時為了提高樹脂基炭泡沫的強度，即使是以熱固性樹脂為前驅體，也要在炭化前進行氧化處理。

發泡劑發泡法制備炭泡沫的工藝

工藝路線2（模板法）：以有機聚合物為碳源，采用模板法制備泡沫炭，能夠較好地控制產物泡沫炭的結構和形貌，是近年來發展起來的一種新的泡沫炭制備方法。首先將有機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方法脫除。然而受到模板的限制又會出現局部閉孔影響其結構和性能。

2、以中間相瀝青為前驅體制備炭泡沫

由于瀝青為易石墨化原料，為改善泡沫炭的功能性，如導熱、導電等性能，人們將制備原料的目光轉向了瀝青。但瀝青的雜質含量高，組分的分子量分布范圍寬，一般需要進行熱縮聚、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構，因而具有良好的導熱和導電性能。瀝青中間相（mesophasepitch，簡稱MP）是一種由相對分子質量為370～2000的多種扁盤狀稠環芳烴組成的混合物，又叫液晶相瀝青。

1992年，美國空軍院材料實驗室Hager，等嘗試用中間相瀝青為前驅體通過造泡（Blowing）技術制備炭泡沫，即中間相瀝青在高壓下充分發泡，然后再經氧化預處理、炭化、石墨化等過程制得炭泡沫，該方法拓展了前驅體的來源，且瀝青基炭泡沫經高溫處理時，還會呈現出各向異性。近年來，有關原料瀝青的調制和制備技術的改進已然成為該領域的熱點。

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構，因而具有良好的導熱和導電性能。

拓展閱讀（石墨導電原因見下文↓↓）：

CFOAM官網

產品示例：CFOAM官網（原文表述見上截圖）對其石墨泡沫產品“CFOAM®35HTC”的描述：CFOAM®35HTC石墨泡沫是一種石墨化、輕質、高取向和開孔的碳泡沫，由中間相瀝青原料生產。CFOAM®35HTC石墨泡沫具有與銅和鋁相當的高導熱性，并顯著減輕了重量。除了高導熱性外，CFOAM®35HTC還表現出高導電性、高強度和低熱膨脹系數。CFOAM®35HTC還易于加工，化學惰性，無腐蝕，耐惡劣環境，抗氧化性高達400°C。我們以一定規模、成本和商業產出率制造和生產CFOAM®35HTC，以滲透已確定的市場，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用于商用軍用飛機的輕型高效熱交換器；③工業熱交換器，用于增強單相或多相工業熱交換器產品的熱傳遞；④電子元件冷卻；汽車應用，在更小、更輕的單元中提供增強的冷卻；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的Stiller教授最早開發了用煤作前驅體制備炭泡沫的技術，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的炭泡沫，至此，煤的預處理和發泡工藝優化成為煤基炭泡沫領域的主要研究內容。

案例：Rogers在瀝青的軟化點以上，將自由膨脹序數為3.5~5的煤與石油瀝青或煤瀝青按照質量比為1％~10％進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，抗壓強度為13790~41370kPa，導熱率為1.0W/（m·K）。

煤基泡沫炭具有前體成本低廉、來源廣泛，制備工藝相對簡便等優勢，與其相關的研究工作不斷深化。在未來的一個階段，煤基泡沫炭有望成為泡沫炭研究領域中一個新的熱點。

4、以生物質為原料制備炭泡沫

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

哈工大烤面包造出了碳泡沫材料性能優異

Molina-Sabio等將橄欖殼置于不銹鋼反應器中，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生物聚合物的熱分解，且有助于形成多孔系統。所制備的炭泡沫具有較高的比表面積和交聯孔徑結構。

小總結：

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

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，也可以用作結構材料，因而在宇航、國防和商業等潛在市場具有異常廣闊的應用前景，如作為結構材料，可用于飛機、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，基于其導熱特性可以用于衛星、航天飛機等飛行器的防太陽輻射熱轉移系統、普通化工廠的大型熱交換器(尤其是酸堿腐蝕嚴重的場合特別適用)、計算機CPU的排熱器件；基于其吸能吸波特性，可以用于火箭發射臺面作為抗沖擊和降低噪聲材料或用于小型飛機、賽車、賽艇、輪船等快速運行機動工具的端部，使它們在突發的撞擊事故中受到保護；而基于其多孔、絕熱絕緣特性方面的應用與樹脂基炭泡沫大體相同，另外還可以用作儲能材料和生物材料等等。