CN101164875B - 一种高导热泡沫炭材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高导热泡沫炭材料的制备方法是将聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚甲基纤维素与蒸馏水混合制得分散剂，中间相沥青中加入掺杂粒子Ti，经混合后加入分散剂中，球磨，烘干，得到掺杂后的中间相沥青原料，以氮气作为保护气，在450-500℃，恒温2-3小时，冷却制得沥青泡沫体，在氮气保护下，在800-1000℃，恒温1-2小时，冷却至室温，得到泡沫炭，在氩气的保护下，升温至2500-2800℃，恒温10-20min，冷却至室温，得到石墨泡沫炭。本发明具有简化了制备工艺流程，降低成本，制备的泡沫炭材料导热系数高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有低密度、高导热性能的泡沫炭材料的制备方法。
背景技术
中间相沥青基泡沫炭是近几年出现的炭材料家族中的一员，其独特的性质已受到国内外研究者的重视，它是由中间的孔泡和其周围规则排列的石墨结构所组成的孔泡相互连接的具有三维网状结构的多孔轻质炭材料。由于中间相沥青基泡沫炭具有质轻、耐高温、耐腐蚀、抗热振、热膨胀系数小等其它材料所不可比拟的优良性能，尤其是各向同性的热传导性，使得它在许多领域都有较高的应用价值。如在热交换器设备等领域中可以用高导热泡沫炭材料来代替传统的散热器件提高其使用效率；用于PC微处理器将可能取消内置风扇，进一步减少计算机的体积，降低噪音；在电磁方面，泡沫炭由于具有导电性，所以可以防止电磁波的透过，而且其多孔结构产生的散射和吸收使内部的反射波减弱，是一种很好的电磁屏蔽和吸波材料，可用在电子仪表的内部，即可防止外来电磁波的进入，又使内部电磁波的相互干扰降低；在航空航天、核工业以及军工等领域，许多电子部件需要在40～60℃的环境温度下正常工作，为此仪器运行过程中产生的热量必须及时排出，目前采用的散热器主要是铝制材料，若采用高导热泡沫炭材料，可实现装置轻量化、结构紧凑化和运行高效化。因此，高导热泡沫炭材料与高新技术密切相关，在现代工业、国防和高技术发展中具有重要的战略意义。
U.S.4795763和5397809报道了泡沫炭的制备方法，这种泡沫炭在制备过程中需加入发泡剂、催化剂和表面活性剂等原料，而其制得的产品难石墨化，强度低，导热性能差。U.S.6033506和U.S.6398994公开了一种制备泡沫炭的方法，此方法需要加入发泡剂和在氧气或空气中进行不熔化处理，工艺复杂。Gaies.D等人(Carbon 40，2002)采用CVI工艺对泡沫炭进行增密处理，制备的泡沫炭导热系数为30-50w/m.k，此方法对设备的性能要求比较高。发明专利(200510027824)公开了在原料沥青中添加粘土类添加剂(如蒙脱土)，以提高泡沫炭的力学性能。但因蒙脱土的加入而产生的热阻隔作用使石墨化后泡沫炭的导热性能也有一定的下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热系数泡沫炭材料的制备方法。
该方法是将萘系中间相沥青磨碎过筛，然后按不同重量百分比加入具有催化石墨化作用的掺杂粒子，掺杂粒子在分散剂的作用下经过液氮球磨并干燥后，均匀的混合在中间相沥青中，通过发泡、炭化、石墨化后制得了具有导热性好的石墨泡沫炭材料。
本发明制备高导热泡沫炭可分为以下几个步骤：
(1)将聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚甲基纤维素与蒸馏水以1克：150ml-200ml的比例混合，搅拌4-10小时，制得分散剂；
(2)将中间相沥青粉碎过80-100目筛，中间相沥青中按中间相沥青与掺杂粒子Ti的质量比为80～97∶3～20加入掺杂粒子Ti，经混合后加入分散剂中，球磨1-2小时，然后于100-120℃烘干1-2小时，得到掺杂后的中间相沥青原料；
(3)将掺杂后的中间相沥青原料，以氮气作为保护气，在2.0MPa-4.0MPa的压力下，以0.5-3.5℃/min的升温速率升温至450-500℃，恒温2-3小时，自然冷却至室温，制得沥青泡沫体；
(4)将沥青泡沫体在氮气保护下，以1-2℃/min的升温速率升温至800-1000℃，恒温1-2小时，然后自然冷却至室温，得到泡沫炭；
(5)将制得的泡沫炭在氩气的保护下，以10-50℃/min升温至2500-2800℃，恒温10-20min，自然冷却至室温，得到石墨泡沫炭。
如上所述的中间相沥青是萘系中间相沥青、石油系中间相沥青或煤系中间相沥青。
本发明的掺杂粒子在基体中分布均匀，孔径在300～400μm左右。
本发明的优点和效果如下：
本发明通过在中间相沥青中加入具有催化石墨化作用的粒子为原料，制备过程中不需要加入发泡剂，无需氧化稳定化处理，直接利用中间相沥青在加热的过程中释放出轻组分气体发泡，在一定的温度下泡沫体固化成型制得泡沫炭，简化了制备工艺流程，降低了成本。在中间相沥青中加入掺杂粒子，加速了泡沫炭的石墨化过程，增大了石墨微晶尺寸。通过调整掺杂粒子在中间相沥青中的质量百分比，使石墨泡沫炭的密度和导热系数在0.29～0.37g/cm3、32～53w/m.k可调，为航空、航天等高技术领域提供了一种质轻、导热性能及力学性能好的炭材料。
具体实施方式
实施例1
以萘系中间相沥青为原料制备泡沫炭，所用中间相沥青的软化点为282℃，经研磨过100目筛以备用。将聚氧化乙烯与蒸馏水以1克：150ml的比例混合，用磁力搅拌器搅拌10小时，以达到聚氧化乙烯充分溶解在蒸馏水中，制得分散剂。将中间相沥青与Ti粉以质量百分比为95∶5混合后倒入分散剂中，在液氮球磨机中球磨2小时，达到掺杂粒子均匀混合在中间相沥青中，然后将混合后的物料在烘箱在于100℃恒温2小时。称取上述混合后的物料20克装在不锈钢模具中，置于高压釜内，在1MPa的压力下反复充放氮气三次以排尽高压釜中的空气，开始程序升温，以5℃/min升温至300℃，在达到中间相沥青软化点之前充入氮气作为保护气，然后加压至2MPa，以0.5℃/min升温至450℃，恒温3小时，缓慢释放压力，自然冷却至室温。炭化过程是在炭化炉内，将模具从高压釜中取出后放入炭化炉内，以1℃/min程序化升温至800℃，恒温120min，自然冷却至室温。随后将炭化的样品置于高温石墨化炉内，以10℃/min的升温速率，升温至2500℃，在此温度下恒温10min，自然冷却到室温，制得石墨泡沫炭。利用扫描电镜(SEM)、背散射电子能谱(BE)、X射线衍射仪(XRD)进行分析表征，并进行泡沫炭密度、机械性能、导热性能的测试。
| 实施例1 | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 导热系数(w/m.k) | 抗压强度(MPa) |
| 石墨泡沫炭 | 0.31 | 38 | 2.33 |
实施例2
以萘系中间相沥青为原料制备泡沫炭，所用中间相沥青的软化点为282℃，经研磨过100目筛以备用。将聚氧化乙烯与蒸馏水以1克：170ml的比例混合，用磁力搅拌器搅拌7小时，以达到聚氧化乙烯充分溶解在蒸馏水中，制得分散剂。将中间相沥青与Ti粉以质量百分比为93∶7混合后倒入分散剂中，在液氮球磨机中球磨1小时，达到掺杂粒子均匀混合在中间相沥青中，然后将混合后的物料在烘箱在于120℃恒温1小时。称取上述混合后的物料20克装在不锈钢模具中，置于高压釜内，在1MPa的压力下反复充放氮气三次以排尽高压釜中的空气，开始程序升温，以5℃/min升温至300℃，在达到中间相沥青软化点之前充入氮气作为保护气，然后加压至2.5MPa，以1℃/min升温至470℃，恒温2小时，缓慢释放压力，自然冷却至室温。炭化过程是在炭化炉内，将模具从高压釜中取出后放入炭化炉内，以2℃/min程序化升温至900℃，恒温60min，自然冷却至室温。随后将炭化的样品置于高温石墨化炉内，以20℃/min的升温速率，升温至2800℃，在此温度下恒温10min，自然冷却到室温，制得石墨泡沫炭。利用扫描电镜(SEM)、背散射电子能谱(BE)、X射线衍射仪(XRD)进行分析表征，并进行泡沫炭密度、机械性能、导热性能的测试。
| 实施例2 | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 导热系数(w/m.k) | 抗压强度(MPa) |
| 石墨泡沫炭 | 0.34 | 46 | 2.53 |
实施例3
以萘系中间相沥青为原料制备泡沫炭，所用中间相沥青的软化点为282℃，经研磨过100目筛以备用。将聚氧化乙烯与蒸馏水以1克：200ml的比例混合，用磁力搅拌器搅拌4小时，以达到聚氧化乙烯充分溶解在蒸馏水中，制得分散剂。将中间相沥青与Ti粉以质量百分比为89∶11混合后倒入分散剂中，在液氮球磨机中球磨1小时，达到掺杂粒子均匀混合在中间相沥青中，然后将混合后的物料在烘箱在于120℃恒温1小时。称取上述混合后的物料20克装在不锈钢模具中，置于高压釜内，在1MPa的压力下反复充放氮气三次以排尽高压釜中的空气，开始程序升温，以5℃/min升温至300℃，在达到中间相沥青软化点之前充入氮气作为保护气，然后加压至3.0MPa，以1℃/min升温至500℃，恒温2小时，缓慢释放压力，自然冷却至室温。炭化过程是在炭化炉内，将模具从高压釜中取出后放入炭化炉内，以2℃/min程序化升温至1000℃，恒温60min，自然冷却至室温。随后将炭化的样品置于高温石墨化炉内，以40℃/min的升温速率，升温至2800℃，在此温度下恒温20min，自然冷却到室温，制得石墨泡沫炭。利用扫描电镜(SEM)、背散射电子能谱(BE)、X射线衍射仪(XRD)进行分析表征，并进行泡沫炭密度、机械性能、导热性能的测试。
| 实施例二 | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 导热系数(w/m.k) | 抗压强度(MPa) |
| 石墨泡沫炭 | 0.36 | 53 | 2.71 |
实施例4
以煤系中间相沥青为原料制备泡沫炭，所用中间相沥青的软化点为276℃，经研磨过100目筛以备用。将聚甲基纤维素与蒸馏水以1克：200ml的比例混合，用磁力搅拌器搅拌4小时，以达到聚甲基纤维素充分溶解在蒸馏水中，制得分散剂。将中间相沥青与Ti粉以质量百分比为85∶15混合后倒入分散剂中，在液氮球磨机中球磨1小时，达到掺杂粒子均匀混合在中间相沥青中，然后将混合后的物料在烘箱在于120℃恒温1小时。称取上述混合后的物料20克装在不锈钢模具中，置于高压釜内，在1MPa的压力下反复充放氮气三次以排尽高压釜中的空气，开始程序升温，以5℃/min升温至300℃，在达到中间相沥青软化点之前充入氮气作为保护气，然后加压至4.0MPa，以3.5℃/min升温至450℃，恒温3小时，缓慢释放压力，自然冷却至室温。炭化过程是在炭化炉内，将模具从高压釜中取出后放入炭化炉内，以2℃/min程序化升温至800℃，恒温120min，自然冷却至室温。随后将炭化的样品置于高温石墨化炉内，以50℃/min的升温速率，升温至2800℃，在此温度下恒温10min，自然冷却到室温，制得石墨泡沫炭。利用扫描电镜(SEM)、背散射电子能谱(BE)、X射线衍射仪(XRD)进行分析表征，并进行泡沫炭密度、机械性能、导热性能的测试。
| 实施例4 | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 导热系数(w/m.k) | 抗压强度(MPa) |
| 石墨泡沫炭 | 0.32 | 35 | 2.72 |
实施例5
以石油系中间相沥青为原料制备泡沫炭，所用中间相沥青的软化点为266℃，经研磨过100目筛以备用。将聚乙烯醇与蒸馏水以1克：200ml的比例混合，用磁力搅拌器搅拌4小时，以达到聚乙烯醇充分溶解在蒸馏水中，制得分散剂。将中间相沥青与Ti粉以质量百分比为80∶20混合后倒入分散剂中，在液氮球磨机中球磨1小时，达到掺杂粒子均匀混合在中间相沥青中，然后将混合后的物料在烘箱在于120℃恒温1小时。称取上述混合后的物料20克装在不锈钢模具中，置于高压釜内，在1MPa的压力下反复充放氮气三次以排尽高压釜中的空气，开始程序升温，以5℃/min升温至300℃，在达到中间相沥青软化点之前充入氮气作为保护气，然后加压至2.0MPa，以3.5℃/min升温至450℃，恒温3小时，缓慢释放压力，自然冷却至室温。炭化过程是在炭化炉内，将模具从高压釜中取出后放入炭化炉内，以2℃/min程序化升温至800℃，恒温120min，自然冷却至室温。随后将炭化的样品置于高温石墨化炉内，以50℃/min的升温速率，升温至2800℃，在此温度下恒温10min，自然冷却到室温，制得石墨泡沫炭。利用扫描电镜(SEM)、背散射电子能谱(BE)、X射线衍射仪(XRD)进行分析表征，并进行泡沫炭密度、机械性能、导热性能的测试。
| 实施例5 | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 导热系数(w/m.k) | 抗压强度(MPa) |
| 石墨泡沫炭 | 0.37 | 32 | 2.92 |
Claims (2)
1.一种高导热石墨泡沫炭材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚甲基纤维素与蒸馏水以1克∶150ml-200ml的比例混合，搅拌4-10小时，制得分散剂；
(2)将中间相沥青粉碎过80-100目筛，中间相沥青中按中间相沥青与掺杂粒子Ti的质量比为80～97∶3～20加入掺杂粒子Ti，经混合后加入分散剂中，球磨1-2小时，然后于100-120℃烘干1-2小时，得到掺杂后的中间相沥青原料；
(3)将掺杂后的中间相沥青原料，以氮气作为保护气，在2.0MPa-4.0MPa的压力下，以0.5-3.5℃/min的升温速率升温至450-500℃，恒温2-3小时，自然冷却至室温，制得沥青泡沫体；
(4)将沥青泡沫体在氮气保护下，以1-2℃/min的升温速率升温至800-1000℃，恒温1-2小时，然后自然冷却至室温，得到泡沫炭；
(5)将制得的泡沫炭在氩气的保护下，以10-50℃/min升温至2500-2800℃，恒温10-20min，自然冷却至室温，得到石墨泡沫炭材料。
2.如权利要求1所述的一种高导热石墨泡沫炭材料的制备方法，其特征在于所述的中间相沥青为萘系中间相沥青、石油系中间相沥青或煤系中间相沥青。
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| CN102219208B (zh) * | 2011-03-28 | 2012-11-21 | 航天材料及工艺研究所 | 一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法 |
| CN102211766B (zh) * | 2011-03-28 | 2012-09-12 | 航天材料及工艺研究所 | 一种高导热碳材料的快速、低成本制备方法 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN1541939A (zh) * | 2003-11-07 | 2004-11-03 | 大连理工大学 | 以沥青为原料制备泡沫炭材料的技术方法及其工艺制度 |
| CN1872677A (zh) * | 2005-06-03 | 2006-12-06 | 中国矿业大学（北京校区） | 一种高导热石墨泡沫材料及其制造方法 |
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