CN101855072A - 被涂覆的碳泡沫制品 - Google Patents

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Abstract

可尤其用于复合材料工具加工或其它高温应用的碳泡沫制品，其包括碳泡沫基体、位于所述碳泡沫基体表面上的中间材料、和位于所述制品的外表面上的工具饰面材料，使得所述中间材料位于所述工具饰面材料和所述碳泡沫基体之间。

Description

被涂覆的碳泡沫制品
相关申请
本申请要求如下共同未决的、共同转让的临时美国申请的权益：2007年9月11日提交的标题为“Carbon Foam Tool”的系列号No.60/971425和2007年12月5日提交的标题为“Coated Carbon FoamArticle”的系列号为60/992779，申请人为Gary D.Shives等，所述两个临时申请在此全文通过引用结合进来。
发明背景
技术领域
本公开涉及可用于应用，包括复合材料工具加工(compositetooling)和其它应用，的碳泡沫。更具体而言，本公开涉及包括碳泡沫的工具，还包括用于制备所述泡沫以及源自所述泡沫的工具的方法。
背景技术
碳泡沫由于低密度以及或者非常高或者非常低的热导率性质，近来已经吸引了相当多的关注。传统上，碳泡沫通过两条一般路线制备。能够高度石墨化的泡沫已经通过在高压下对中间相沥青进行热处理来制备。这些泡沫往往具有高的热导率和电导率。例如，在Klett的美国专利6033506中，中间相沥青被加热并同时承受1000psi的压力，以制备含有泡孔尺寸范围为90-200微米的互连孔的开口泡沫。根据Klett，在热处理到2800℃之后，泡沫的固体部分形成层间距为0.366nm的高度晶态的石墨结构。所述泡沫声称压缩强度大于以前的泡沫(对于0.53g/cc的密度而言，为3.4MPa或500psi)。
在Hardcastle等的美国专利No.6776936中，通过在模具中在高达800psi的压力下加热沥青，制备了密度为0.678-1.5g/cc的碳泡沫。所述泡沫声称是能够高度石墨化的，并提供高的热导率(250W/m-K)。
根据H.J.Anderson等在Proceedings of the 43rd InternationalSAMPE Meeting，p756(1998)的文章，由中间相沥青制备碳泡沫，然后进行氧化热固化并碳化至900℃。所述泡沫是开口结构，所述开口结构具有泡孔形状不同且直径为39-大于480微米的互连孔。
Rogers等在Proceedings of the 45th SAMPE Conference，p293(2000)中，描述了由基于煤的前体通过在高压下热处理制备碳泡沫，得到密度为0.35-0.45g/cc、压缩强度为2000-3000psi(因此强度/密度比为大约6000psi/g/cc)的材料。这些泡沫具有开口结构，所述开口结构的互连孔的泡孔尺寸为至多1000微米。和上述源自中间相沥青的泡沫不同，它们不是可高度石墨化的。在最近的文献中，描述了这种类型泡沫的性质(High Performance Composites 2004年9月，p25)。所述泡沫的压缩强度为800psi，密度为0.27g/cc，或者强度/密度比为3000psi/g/cc。
Stiller等(美国专利No.5888469)描述了通过对水热处理的煤提取物进行加压热处理来制备碳泡沫。这些材料声称在密度为0.2-0.4g/cc时压缩强度为600psi(强度/密度比为1500-3000psi/g/cc)。表明这些泡沫比具有玻璃碳或玻璃化本质的不能石墨化的泡沫更强。
碳泡沫也可以通过直接碳化聚合物或聚合物前体掺混物来制备。Mitchell在美国专利No.3302999中讨论了通过在空气中在200-255℃加热聚氨酯聚合物泡沫并随后在惰性气氛中在900℃碳化来制备碳泡沫。这些泡沫的密度为0.085-0.387g/cc，压缩强度为130-2040psi(强度/密度比为1529-5271psi/g/cc)。
在美国专利No.5945084中，Droege描述了通过对源自羟基化苯和醛的有机凝胶(酚醛树脂前体)进行热处理来制备开口碳泡沫。所述泡沫的密度为0.3-0.9g/cc，由尺寸范围为2-50nm的小介孔组成。Mercuri等(Proceedings of the 9th Carbon Conference，p206(1969))通过酚醛树脂热解制备了碳泡沫。对于密度范围为0.1-0.4g/cc的泡沫而言，压缩强度和密度之比为2380-6611psi/g/cc。对于密度为0.25g/cc的碳泡沫而言，泡孔的形状为椭圆体的，泡孔直径为25-75微米)。
Stankiewicz(美国专利No.6103149)制备了受控纵横比为0.6-1.2的碳泡沫。专利权人指出使用者通常为了优异性质而要求完全各向同性的泡沫，其中纵横比为1.0是理想的。通过用可碳化的树脂浸渍聚氨酯泡沫然后热固化和碳化，而制备开口碳泡沫。因此，原始聚氨酯泡沫的泡孔纵横比从1.3-1.4变化到0.6-1.2。
不幸的是，通过现有技术方法制备的一些碳泡沫对于许多高温应用比如复合材料工具加工而言并不有效。一般可得的泡沫不是整料的，并且并不具有这种应用所需的强度和强度/密度比。另外，具有高度互连孔的开口泡沫的孔隙率使得它们对于这类应用而言是不适当的。
在公布的美国专利申请No.US2006/086043中，Douglas J.Miller，Irwin C.Lewis和Robert A.Mercuri公开了碳泡沫，所述碳泡沫克服了通过现有技术方法制备的泡沫的已经提及的缺陷。更具体而言，Miller等的泡沫具有双峰泡孔结构，是较大和较小的相对球形孔的组合，其提供了能够以所需尺寸和构造制备并且能够容易机械加工的碳泡沫，从而提供了其密度、压缩强度和压缩强度/密度比使得得到了前所未见的强度和较轻重量的特征组合的碳泡沫。这种双峰孔分布提供了两种平均孔尺寸的组合，主要部分是较大的孔，次要部分是较小的孔。
但是，为了用作复合材料加工工具，大多数碳泡沫要求在将实施加工的表面上施加饰面层(facing layer)。泡沫的半多孔结构以及泡沫和饰面层之间热膨胀系数(CTE)的可能不匹配，能够阻碍碳泡沫在工具加工应用中的有效使用。
因此，需要的是用于制备能够用于应用，比如复合材料工具加工，中的碳泡沫制品的方法。更具体地，找寻的是用于制备包括碳泡沫芯和其上的饰面层的制品的方法，以及由此制备的制品。所需的碳泡沫制品是整料的，具有能够控制的泡孔结构，其中所述泡孔结构、强度和强度/密度比使得所述泡沫适合用于复合材料工具加工以及其它应用中。实际上，已经发现，对于碳泡沫在复合材料工具加工应用中的使用而言，性质的组合(包括比现有技术中考虑的高的强度/密度比)非常有利。
发明内容
本发明涉及可用于用于复合材料工具加工的工具的制品，其包括碳泡沫基体、在所述基体的至少一个表面上的中间层、和在所述中间层上的饰面层。制备工具的方法可以包括在碳泡沫基体表面上沉积膜形式的中间层和将所述饰面层施加到所述中间层上。中间层可以在施加饰面层之前固化(部分或者全部地)，或者所述中间层和饰面层可以原位共同固化。
更具体地，本文公开的一个实施方案包括碳制品，所述碳制品包括碳泡沫基体、在所述碳泡沫基体表面上的中间材料、和在所述制品外表面上的工具饰面材料，所述工具饰面材料也可以位于所述中间材料的顶表面上。碳泡沫有利的具有至少大约7000psi/(g/cc)的压缩强度/密度比、大约0.05-大约0.4g/cc的密度、和至少大约2000psi的压缩强度。实际上，在优选实施方案中，碳泡沫的孔隙率为大约65％-大约95％。优选地，孔的体积的至少大约90％的直径为大约10-大约150微米，泡孔的体积的至少大约1％的直径为大约0.8-大约3.5微米。
中间材料可以是弹性体材料或刚性材料，为片形式，或者是从表面处理工艺中沉积而成。在一个实施方案中，中间材料可以由多于一个弹性体片(也称作膜)形成，例如，相邻的片彼此呈搭叠关系。在一个实施方案中，中间层包括至少一种选自如下的材料：弹性体、苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺(bismalimide)树脂膜粘合剂、聚酰亚胺复合物、或者高温糊状粘合剂及其组合。
应该理解的是，前面的一般性描述和下面的详细描述提供了本发明的实施方案，旨在提供对所要求保护的本发明的理解、性质和特征的总览或框架。附图被包括进来以提供对本发明的进一步理解，并结合到说明书中构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方案，和说明书一起用于描述本发明的原理和操作。
附图说明
图1是本文公开的工具的实施方案的示意图。
具体实施方式
图1中举例示出了可用作用于复合材料工具加工应用的工具的碳泡沫制品10的实施方案的剖面图。制品10包括碳泡沫基体12。由其形成基体12的碳泡沫可以由任何类型的前体材料比如但不限于煤、沥青和/或聚合物泡沫形成。在一个实施方案中，基体12可以由多于一块碳泡沫形成。在这种实施方案中，多块碳泡沫可以通过使用碳质水泥结合在一起。在另一实施方案中，多块泡沫可以通过使用膜、粘合剂或者位于相邻泡沫块之间的弹性体片而结合在一起。优选地，用于结合泡沫的材料将承受该工具的制备方法和/或使用方法之一或两者的最高加工温度。这种粘合剂的合适温度的实例包括高达超过大约540℃。在一个特定的实施方案中，粘合剂的温度稳定性高达大约300℃，在另一实施方案中高达大约250℃。用于结合碳泡沫块的合适材料的一些实例包括
Figure GPA00001136231900051
(可获自Pelseal Technologies LLC的含氟弹性体)、
Figure GPA00001136231900052
EA 9394/C-2(可获自Dexter Corp.的热固形塑料)、Fluorolast
Figure GPA00001136231900053
200(可获自Laurnell International Inc.)、
Figure GPA00001136231900054
(可获自X-Pando Corp.)、BMI树脂、和C-34TM水泥(可获自GrafTechInternational Holdings Inc.)。在另一实施方案中，基体12由整料块碳泡沫(a monolithic block of carbon foam)形成。
如所述，碳泡沫可以由其它材料，比如沥青、煤和/或其它可以泡沫化的可碳化材料，形成。但是，在优选实施方案中，用于形成碳泡沫基体12的碳泡沫由聚合物泡沫比如聚氨酯泡沫或酚醛泡沫制备，优选酚醛泡沫。酚醛树脂是一大类的聚合物和低聚物，由基于酚和甲醛的反应产物的各种结构构成。酚醛树脂是通过在酸性催化剂或碱性催化剂存在下酚或取代酚与醛(尤其是甲醛)的反应制备。酚醛树脂泡沫是由开口泡孔和闭口泡孔组成的固化系统。树脂通常是在一定甲醛/酚比例下通过氢氧化钠催化的水性甲阶酚醛树脂，所述甲醛/酚比例可以变化，但优选是大约2∶1。游离的酚和甲醛含量应该低，虽然可以使用尿素作为甲醛清除剂。
泡沫是通过调节树脂的水含量并加入表面活性剂(例如，乙氧基化的非离子的)、发泡剂(例如，戊烷、二氯甲烷或者氯氟烃)和催化剂(例如，甲苯磺酸或苯酚磺酸)来制备。磺酸对反应进行催化，而放热导致乳化在树脂中的发泡剂蒸发并使膨胀泡沫。表面活性剂控制泡孔尺寸以及开口泡孔和闭口泡孔单元的比例。采用了连续过程和间歇过程。在连续过程中，机械类似于连续聚氨酯泡沫所用的那些。泡沫的性质主要依赖于密度和泡孔结构。
优选的酚是间苯二酚，但是，这类的能够和醛形成缩合产物的其它酚也能够采用。这类酚包括一元酚和多元酚、儿茶酚、氢醌、烷基取代酚、比如苯甲酚类或二甲苯酚类；多核一元或多元酚，比如萘酚、p，p’-二羟基二苯基二甲基甲烷或者羟基蒽。
用于制备泡沫原料的酚也可以和能够和醛以和酚类似的方式反应的非酚化合物混合使用。
用于该溶液的优选醛是甲醛。其它合适的醛包括以相同方式和酚反应的那些。包括例如乙醛和苯甲醛。
一般而言，能够用于本发明方法中的酚和醛是美国专利No.3960761和5047225中描述的那些，其公开内容在此通过引用结合进来。
在本发明的碳泡沫制备中用作原料的聚合物泡沫应该具有初始密度，所述初始密度反映出将形成的碳泡沫的所需最终密度。换而言之，聚合物泡沫的密度应该是大约0.01-大约0.6g/cc，更优选是大约0.01-大约0.5g/cc。就用作碳泡沫基体12的碳泡沫而言，优选密度小于大约1.0g/cc，优选小于大约0.6g/cc。在进一步的实施方案中，优选地，用于形成基体12的泡沫的密度为至少大约0.03g/cc。聚合物泡沫的泡孔结构应该具有大约65％-大约95％的孔隙率和较高的压缩强度，也即，为至少大约100psi，并高至大约300psi或更高。
有利地，碳泡沫具有相对均匀的孔分布。另外，优选所述孔是相对各向同性的，这意味着孔是相对球形的，意味着孔的平均纵横比为大约1.0(这表示完美的球形几何形状)-大约1.5。纵横比通过将任何孔的较长尺寸除以其较短尺寸来确定。
如所述，碳泡沫可以具有大约65％-大约95％，更优选大约70％-大约95％的总孔隙率。另外，已经发现高度有利的是泡沫具有双峰孔分布，也就是说两种平均孔尺寸的组合，主要部分是较大尺寸的孔，次要部分是较小尺寸的孔。优选地，在所述孔中，至少大约90％的孔体积，更优选至少大约95％的孔体积应该是较大的尺寸部分，至少约1％的孔体积，更优选大约2％-大约10％的孔体积应该是较小尺寸部分。
碳泡沫的双峰孔分布的较大孔部分应该包括直径为大约10-大约150微米，更优选大约15-大约95微米，最优选是大约25-大约95微米的孔。孔的较小部分应该包括直径为大约0.8-大约3.5微米，更优选是大约1-大约2微米的孔。用于形成碳泡沫基体12的泡沫中孔分布的双峰性质提供了处于开口泡沫和闭口泡沫之间的中间结构，因此限制了泡沫的液体渗透率并同时保持泡沫结构。实际上，有利的是，碳泡沫应该显示出不大于大约3.0达西，更优选不大于大约2.0达西(通过ASTM C577测量)的氮渗透率。
典型地，性质比如孔隙率和单个孔的尺寸和形状通过光学方式测量，比如通过使用带有亮场照明的环氧树脂显微台，并使用市售软件比如来自MediaCybernetic of Silver Springs，Maryland的Image-ProSoftware来确定。
为了将聚合物泡沫转变成碳泡沫，通过将聚合物泡沫在惰性或不含空气的气氛，比如氮气存在下，加热到从大约500℃，更优选至少大约800℃，直至大约3200℃的温度来将其碳化。加热速率应该受控以使聚合物泡沫在数天时间内达到所需的温度，这是因为在碳化期间聚合物泡沫能够收缩多至大约50％或更多。优选地，聚合物泡沫基本上均匀加热。
通过使用在惰性环境或不含空气的环境中加热的聚合物泡沫，得到了非石墨化性玻璃碳泡沫，其具有原料聚合物泡沫的大致密度，但是压缩强度为至少大约2000psi，和很重要的至少为大约7000psi/(g/cc)，更优选至少大约8000psi/(g/cc)的强度/密度比。碳泡沫具有如上所述的双峰孔尺寸分布的相对均匀分布的各向同性孔，所述孔平均纵横比为大约1.0-大约1.5。
再次参见图1，中间材料14位于碳泡沫基体12的顶表面上。在本文公开的一个实施方案中，材料14的厚度为大约1-大约60密耳，优选是大约3-40密耳，更优选是大约5-20密耳。制品10当用作工具时进一步包括位于其外表面上的工具饰面材料16。
用于中间层14的一些有利的材料可以提供以下优点的一些或全部：(1)所述材料可以容纳基体12和饰面材料16之间的热膨胀系数(CTE)的不匹配；(2)所述材料可以在碳泡沫基体12和工具饰面材料16之间的界面处提供强度；(3)所述材料可以在基体12和饰面材料16之间的界面处提供所需量的弹性；和(4)所述材料可以适于密封基体12的表面，密封方式使得饰面材料16在施加过程中和/或饰面材料16的固化过程中不会渗入到基体12的本体中。中间材料14的其它合意性质包括热稳定性，所述热稳定性使得所述材料能够承受作为工具10制备方法一部分的热循环以及在工具10使用期间的热循环。在一个特定实施方案中，有利的中间材料是顺应性的，以使基体12不可渗透，并免除由于基体12和工具饰面16之间的CTE不匹配产生的应力。
在有利的实施方案中，中间材料14包括弹性体材料，其可以是片或膜的形式。合适的弹性体材料实例包括丁基橡胶、间规立构橡胶、乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)和含氟弹性体或氟弹性体(所述含氟弹性体可以固化或不固化)。在一个实施方案中，所述氟弹性体是液体形式。合适的中间材料14的其它实例包括苯并噁嗪膜、酚醛树脂、具有中间层的膜粘合剂、高温糊粘合剂、和/或环氧树脂。这种中间材料的市售实例包括
Figure GPA00001136231900081
9394/C-2环氧树脂，获自Henkel；CytecFM2550B，获自Cytec Engineered Materials，Inc.；双马来酰亚胺树脂(BMI)/聚酰亚胺/玻璃载体8/BMI层状材料，Beta 8610粘合剂膜，来自Airtech；1069 Viton Rubber，来自Airtech；氟弹性体，HTE18-75E，具有或者不具有LTE 16-40B，获自Advanced Composite Group，Ltd；Pelseal 3159，Pelseal PLV-6023氟弹性体，Lauren FluorolastWB-200和XU 3560，来自Huntsman。进一步地，中间材料14可以由上述弹性体材料的一个或多个一个的涂层或层制成。
在特定的实施方案中，中间材料14可以用于容纳具有不同CTE的碳泡沫基体12和工具饰面材料16。换而言之，当碳泡沫基体12和工具饰面材料16的CTE不匹配时，中间材料14能够允许有效地使用CTE不匹配的基体12和工具饰面材料16。在另一实施方案中，可以使用多于一个弹性体片来形成中间材料14。优选地，在这种实施方案中，相邻的片以彼此搭叠关系结合在一起。
在另一实施方案中，中间层14由如下材料构造：所述材料用于防止用于形成工具饰面材料16的树脂在固化例如高温釜固化过程中渗入到碳泡沫基体12中。
工具饰面材料16能够是适于在能用于工具加工应用的制品10上形成表面的任何材料。换而言之，工具饰面材料16必须提供能够用于工具加工中的性质，比如不渗透性、光滑性、耐久性、和承受在工具加工操作过程中所用高温的能力。有利地，工具饰面材料16是固化的树脂，但是也可以采用其它材料比如陶瓷、金属性材料、粉末或膜等等。各种实例也可以以其任何组合形式使用。合适的树脂的实例包括环氧树脂、双马来酰亚胺、氰酸酯、氰酸酯环氧树脂及其组合。任选地，所述树脂也可以包括强化材料，比如拉伸强度高达4000MPa、温度承受高达大约700℃、热导率不大于大约0.035W/mk的玄武岩纤维、碳纤维、碳纳米管、纤维玻璃、石墨纤维、石墨纳米管、石墨烯和其组合。另外，强化材料可以是织造毡的形式。可用作工具饰面材料16的可用材料实例包括来自Hexcel的Hextool M61、来自Cytec的Duratool 450、来自Advanced Composite Group，Ltd的HTM 512、HTM 512-1、HTM 512-2和HTM 552。可用作工具饰面材料16的其它类型材料包括
Figure GPA00001136231900091
其是有时称作64FeNi或者FeNi36的镍钢或镍铁合金、碳化硅、氧化锆陶瓷及其组合。工具饰面材料16的各种材料可以以其任何组合使用。任选地，材料16的顶表面(以图1中所示的取向)可以覆盖有释放涂层或者释放衬里，其因此形成制品10的顶表面。在另一可选实施方案中，工具饰面材料16可以包括除了固化树脂相邻材料14以外的聚酰亚胺阻挡膜。这种膜的一个实例包括可获自DuPont的
Figure GPA00001136231900092
膜。
形成制品10的一种方法包括将中间材料14施加到碳泡沫基体12上然后固化材料14(如果材料14以未固化状态施加到基体12上)。材料14可以以固体形式或者液体形式施加。任选地，在固化中间材料14之前，可以以促进或者部分使中间材料14浸渍到基体12中的方式在基体12上施加负压。典型地，材料14通过将基体12和材料14的组装件加热到至少大约150°F的温度而半固化(也即，至少25％固化，但是固化不多于大约90％)。材料14的一些实施方案可以至少在室温半固化，由此消除对半固化加热步骤的需要。
接下来，将工具饰面材料16施加到所述至少半固化的中间材料14的顶表面上。饰面材料随后通过施加压力和热量而固化。在一个实施方案中，以未固化状态施加的饰面材料16也称作预浸料。典型的固化温度是至少大约300°F，优选至少大约350°F。
在一个实施方案中，可以采用高温釜来固化中间材料14和/或饰面材料16。
制备制品10的另一方法包括将中间材料14施加到基体12的顶表面上。然后，将工具饰面材料16施加到中间材料14的顶表面上，之后固化中间材料14和饰面材料16。典型地，在该实施方案中，中间材料14处于片形式。
在一个特定实施方案中，中间材料14在多于一个步骤中施加到基体12上。在该实施方案中，将具有第一粘度的第一弹性体施加到基体12上。弹性体可以以片或者液体形式施加。弹性体的液体形式可以通过喷雾、辊涂、刷漆和其组合的任一施加。优选地，所述液体基体可以渗透到基体12的本体中。渗透的液体弹性体可以填充基体12的一些孔体积和/或基体12的孔之间的密封连接。任选地，具有第一粘度的弹性体可以在一次或多次施加中施加。
接下来，可以将具有第二粘度的第二弹性体施加到涂覆的基体12上。第一和第二弹性体可以是相同或不同的材料。优选地，第一粘度或者大于或者小于第二粘度。在优选实施方案中，第二粘度大于第一粘度。第二弹性体可以以和第一弹性体相同的方式施加。
最后，第三弹性体施加到第二弹性体的顶部上。第三弹性体的粘度可以大于或小于第二弹性体的粘度。在优选的实施方案中，第三弹性体的粘度大于第二弹性体的粘度。第三弹性体可以和第一弹性体和第二弹性体的任何之一相同或不同，或者所有弹性体可以相同。施加第一和第二弹性体的相同技术也可以用于施加第三弹性体。
在这种特定实施方案中，覆盖有中间材料14的基体12可以有或可以没有在其上施加工具饰面材料16，也仍然能够用作可用作工具加工应用的工具的制品10。最后，涂有中间材料14的基体12可以不渗透液体比如水，并具有使得制品10会漂浮的足够密度。
也可以进行所述工具的机械加工。所述工具可以以任何所需的方式进行机械加工。在一个这种方式中，所需的工具图像被机械加工到饰面材料中。或者，基体12可以进行机械加工，所需的外部材料(中间材料14和/或饰面材料16)可以施加到基体12的机械加工过的表面上。在另一替换方式中，中间材料14可以是经过机械加工的表面。另外，工具10的多个部分可以机械加工。例如但不限于所需形状的大致图像可以机械加工到基体12的表面中。然后，可以将所需形状的最终图像机械加工到饰面材料16中。优选地，机械加工在封闭环境中进行。机械加工用工具的两个实例包括碳化物工具和金刚石工具。
如果需要降低基体12的水分含量，可以在密封之前干燥。典型地，基体12通过热方法干燥。在一个实施方案中，通过将基体12暴露于100-200℃的温度至多30小时来干燥基体12，一个优选实施方案是大约120-150℃干燥大约12-24小时。优选水分含量的实例包括水分含量低于大约5wgt％，低于大约2wgt％，低于大约1wgt％，和低于大约0.5wgt％。优选地，基体12在干燥的48小时或更短的时间，更优选在干燥的36小时或更短的时间内密封。
除了干燥之外，或者可替换地替代干燥，基体12可以包括通风通道。通风通道可以钻入基体12中，通风通道可以是将结合在一起形成整个或部分基体12的多块泡沫中的对齐的磨好的槽，或者其它适用于在基体12中形成通道的技术。优选的通风区域可以根据基体12的密度而变。例如，每工具(基体12)体积的通风面积可以是1.0-5.0m2通风面积/m3工具体积，优选1.5-4.0。另外，基体12越致密，基体12可以包括越多的通风通道。例如，通风通道之间的距离可以是大约100cm-大约10cm。对于密度小于大约0.25g/cc的基体12而言，通风通道可以分开大约50-100cm。对于密度为大约0.25g/cc或更大的基体12而言，通风通道应该分开大约50-10cm。
上面的各种实施方案可以单独或以其任何组合形式实施。
为了进一步阐述本发明的原理和操作，提供了下列实施例。但是，该实施例应该仅仅是作为示例目的，而绝非限制。
实施例
长度7.8英寸、宽度3.9英寸、厚度为2.9英寸的矩形酚醛泡沫块以下列方式转变成碳泡沫。原料酚醛泡沫的密度为0.32g/cc，压缩强度为大约300psi。将泡沫填充在钢罐中，和空气隔离，然后以2℃/小时加热到550℃，然后以10℃/小时加热到900℃，并在该温度保持大约20小时。所得的碳泡沫的密度为大约0.336g/cc，压缩强度为4206psi，强度密度比为12517psi/(g/cc)。泡沫的导热率在25℃测量为0.3W/m-K，氮渗透率测量为0.17达西。
泡沫通过光学显微镜检查，该泡沫的孔隙率测量为79.5％。观察到两个系列的泡孔，所述泡孔看起来是直径相当均匀的圆形的。采用图像分析程序来确定所述两个不同系列泡孔的平均直径和纵横比。对于直径高于25微米的大尺寸泡孔而言，计算的平均直径是35微米，标准偏差是4.7微米。孔的纵横比计算为1.16，显示出它们基本上球形的。这些大孔占据总孔隙率的孔体积的96％。较小尺寸的孔占据总孔隙率的孔体积的4％，平均直径是1.73微米，标准偏差是0.35。这些孔的纵横比测量为1.10。
和其它泡沫相比，本泡沫的泡孔结构是独一无二地，因为它看起来是闭口泡孔构造和开口泡孔构造之间的形状。大的泡孔看起来是互相之间仅仅很弱的互连，并经由所述小孔隙连接，使得所述泡沫在水存在下显示出渗透率，但是并不容易吸收粘性更大的液体。
通过使用不同密度的前体材料制备了碳泡沫系列。产物的性质列在表I中：
表I
  泡沫1   泡沫2   泡沫3
  密度g/cc   0.266   0.366   0.566
  压缩强度(psi)   2263   4206   8992
  压缩强度/密度   8507   12517   16713
相应地，通过实践本发明，制备了具有以前未认识到的性质的碳泡沫。这些泡沫显示出异常高的压缩强度/密度比，具有与众不同的双峰泡孔结构，从而使得它们在应用比如复合材料工具加工应用中与众不同的有效。
在此申请中提到的所有引用专利和出版物的公开在此通过引用结合进来。
上面的描述旨在允许本领域技术人员能够实施本发明。并不旨在详细给出本领域技术人员在阅读本说明书后变得显而易见的所有可能的修改和变化。但是，旨在所有这种修改和变化落在由所附权利要求限定的本发明范围内。权利要求旨在覆盖以有效满足本发明目标的任何排列或顺序方式存在的所指出的要素和步骤，除非上下文特别有相反说明。

Claims (20)

1.碳泡沫制品，包括碳泡沫基体、位于所述碳泡沫基体的表面上的中间材料、和位于所述制品的外表面上的工具饰面材料，以使所述中间材料位于所述工具饰面材料和所述碳泡沫基体之间。
2.根据权利要求1的碳泡沫制品，其中所述中间材料包括弹性体材料、刚性材料及其组合中的至少之一。
3.根据权利要求2的碳泡沫制品，其中所述中间材料是片形式。
4.根据权利要求2的碳泡沫制品，其中所述中间材料由多于一个片形成，相邻的片彼此呈搭叠关系。
5.根据权利要求1的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的压缩强度和密度之比为至少大约7000psi/(g/cc)。
6.根据权利要求1的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的密度为大约0.05-大约0.4g/cc，压缩强度为至少大约2000psi。
7.根据权利要求1的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的孔隙率为大约65％-大约95％。
8.根据权利要求1的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的孔的体积的至少大约90％的直径为大约10-大约150微米。
9.根据权利要求8的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的孔的体积的至少大约1％的直径为大约0.8-大约3.5微米。
10.根据权利要求1的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的氮渗透率不大于大约3.0达西。
11.根据权利要求1的碳泡沫制品，其中所述中间层包括选自如下材料的至少之一：弹性体、苯并噁嗪、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂膜粘合剂、聚酰亚胺、高温糊状粘合剂及其组合。
12.碳泡沫制品，包括：
(a)碳泡沫基体，所述碳泡沫基体的孔分布使得所述孔的体积的至少大约90％的直径为大约10-大约150微米，并且所述孔的体积的至少大约1％的直径是大约0.8-大约3.5微米；
(b)位于所述碳泡沫基体的表面上的中间材料；和
(c)位于所述制品的外表面上的工具饰面材料，
其中所述中间材料位于所述工具饰面材料和所述碳泡沫基体之间。
13.根据权利要求12的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体包括多于一块的碳泡沫。
14.根据权利要求12的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的密度小于1.0g/cc。
15.根据权利要求12的碳泡沫制品，其中所述中间材料包括弹性体材料、刚性材料及其组合的至少之一。
16.根据权利要求15的碳泡沫制品，其中所述弹性体材料是片形式。
17.根据权利要求16的碳泡沫制品，其中所述中间材料由多于一个弹性体片形成，相邻的片彼此之间呈搭叠关系。
18.根据权利要求12的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的压缩强度和密度之比为至少大约7000psi/(g/cc)。
19.根据权利要求12的碳泡沫制品，其中所述碳泡沫基体的密度为大约0.05-大约0.4，压缩强度为至少大约2000psi。
20.根据权利要求12的碳泡沫制品，其中所述中间层包括选自如下材料的至少之一：弹性体、苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂膜粘合剂、聚酰亚胺、高温糊状粘合剂及其组合。
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