CN102219208B

CN102219208B - 一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法

Info

Publication number: CN102219208B
Application number: CN 201110075430
Authority: CN
Inventors: 李同起; 吴宁宁; 赵高文; 冯志海
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: CN102219208A

Abstract

本发明涉及一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，针对高开孔率泡沫碳热导率低、力学性能差的缺点，采用中间相沥青多次真空/加压浸渍-梯度压力发泡法对泡沫碳的孔壁进行多次增强、再将上述增强的泡沫碳进一步高温石墨化处理，形成增强型高导热泡沫碳。经过增强后泡沫碳的体积热导率得到了大幅提升，力学性能也得到了明显改善。

Description

一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法

技术领域

本发明涉及一种高开孔率(开孔率大于60％)泡沫碳导热性能的增强方法，属于无机多孔材料技术领域。

背景技术

高导热泡沫碳是一种低密度、高孔隙率、高热导率的多孔碳材料，除了上述优点，同时还具有碳材料的耐腐蚀、耐高温等优异性能，是一种具有广泛应用价值的功能材料，可用于热管理、吸声降噪、抗冲击、新能源电池或电容器等领域。在热管理领域，高导热泡沫碳可以用作热交换器、热沉、相变储热、散热器等材料，在应用过程中泡沫碳的高开孔率结构为换热介质、吸热介质的充填、流动等创造了条件，大大提高了热管理效率。

高导热泡沫碳的前躯体主要为中间相沥青，制备过程主要经历发泡和高温热处理，其中发泡过程是决定泡沫碳性能的主要步骤。对于热管理用的泡沫碳而言，为保证热管理用介质材料能够高效进出泡沫碳孔隙，需要泡沫碳具有很高的开孔率。但中间相沥青发泡形成的高开孔率泡沫碳通常孔壁薄弱，材料的表观热导率和宏观力学性能非常低，无法满足应用需要。

因此，研究人员开展了大量的泡沫碳增强研究，主要的方法有在泡沫碳前躯体中添加物质法(如加入碳微球、石墨粉、粘土等)、前躯体调制法(如预氧化改性、氟化改性等)、化学气相渗透法、填充法、金属镀层法等，其中前两种方法都是改变前躯体的发泡特性形成高强度泡沫碳，虽然泡沫碳的力学性能得到了较大提升，但材料的导热性能提高不大，比热导率却明显下降；后三种方法则是在保持原有泡沫碳结构基本不变的前提下对泡沫碳进一步增强，其中化学气相渗透法采用气相碳源的长时间沉积可以实现泡沫碳孔壁的均匀增强，但增强周期较长，并且容易堵塞泡沫碳表层的孔隙；填充法是在泡沫碳孔隙中填充中间相沥青物质，然后碳化形成填充物，这种方法的增强通常造成了孔隙的填充，而不是对孔壁的增强，造成了材料可用孔道的大大减少；金属镀层法是在泡沫碳孔壁上采用电镀或化学镀形成金属涂层，这种方法和化学气相渗透法一样都是在泡沫碳孔壁上形成增强层，可以有效提高泡沫碳的力学性能，但由于金属镀层的密度高、耐温低、与泡沫碳热匹配性差，造成了增强的泡沫碳在应用过程中存在诸多问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种在获得力学性能提高的同时、导热性能得到大幅增强的高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，使高开孔率泡沫碳为热管理用高开孔率泡沫碳材料提供技术储备。

本发明的技术解决方案是：一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，通过以下步骤实现：

第一步，清洗高开孔率泡沫碳的孔隙；

第二步，用中间相沥青包埋高开孔率泡沫碳；

第三步，高开孔率泡沫碳真空/加压熔融浸渍中间相沥青，

浸渍工艺为抽真空后中间相沥青在中间相沥青软化点以上20～90℃熔化，再在1kPa～15MPa下将熔融的中间相沥青浸渍到高开孔率泡沫碳孔隙中；

第四步，高开孔率泡沫碳增强，

中间相沥青发泡，得到增强的高开孔率泡沫碳，发泡压力为0.1MPa～20MPa，发泡温度为400℃～600℃；

第五步，多次重复第二步～第四步；

第六步，对增强后的高开孔率泡沫碳进行高温处理，高温处理工艺为700～1800℃下不少于0.1h；

第七步，对高温处理后的高开孔率泡沫碳在惰性气体保护下进行高温石墨化处理。

所述第六步高温处理在第四步高开孔率泡沫碳增强后进行。

所述第七步高温石墨化处理在第四步高开孔率泡沫碳增强后进行，不用再进行第六步高温处理。

所述第七步高温石墨化处理工艺为1800～3000℃下不少于0.1h。

所述第五步重复次数为0～8次。

所述第四步每重复一次发泡压力增加0.1MPa～1MPa。

所述第二步中间相沥青的用量为，中间相沥青粉熔化和进入高开孔率泡沫碳孔隙后，熔融的中间相沥青要浸没高开孔率泡沫碳。

所述第三步中在1kPa～15MPa恒压时间为0.1h～2h。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用中间相沥青多次真空/加压浸渍-梯度压力发泡法对泡沫碳的孔壁进行增强、再进一步高温石墨化处理，形成增强型高导热泡沫碳，经过增强后泡沫碳的体积热导率得到了大幅提升，力学性能也得到了明显改善；

(2)本发明利用多次浸渍/发泡工艺实现泡沫碳孔隙的逐级填充，可以获得不同密度、不同开孔率、不同力学性能和不同热导率的泡沫碳材料，以满足不同应用的需求；

(3)本发明利用不同浸渍/发泡过程中的发泡压力梯度增加，控制泡沫碳孔隙中不同次数发泡形成的二次碳的结构特点，形成利于热管理应用的高性能泡沫碳材；

(4)本发明利用先真空后加压的浸渍方式可以实现原始泡沫碳孔壁上缺陷的填充，从而最大程度上提高泡沫碳的热导率和力学性能；

(5)采用得到的导热增强型泡沫碳力学性能提高100％～500％，热导率提高50％～300％，泡沫碳开孔率下降小于5％～20％。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

具体实施方式

本发明克服上述各增强方法的缺点，采用真空/加压浸渍-梯度压力发泡法在高开孔率泡沫碳的孔壁上依次形成多层增强碳结构，在提高力学性能的同时对泡沫碳的导热性能进行大幅增强。

本发明工艺流程如图1所示，通过以下步骤实现：

1、清洗高开孔率泡沫碳的孔隙

对高开孔率泡沫碳进行孔隙清洗处理，除去泡沫碳孔隙中的碎屑，打开孔隙通道，可以采用超声波、高压气体、溶剂或水洗等方法，只要能将孔隙内的碎屑清除干净即可，若高开孔率泡沫碳的孔隙干净，此步骤也可不用。

2、用中间相沥青包埋高开孔率泡沫碳

在可加热容器中用中间相沥青将高开孔率泡沫碳进行包埋，中间相沥青的用量为中间相沥青粉熔化和进入高开孔率泡沫碳孔隙后，熔融中间相沥青要浸没，即高开孔率泡沫碳要保证中间相沥青粉熔化和进入高开孔率泡沫碳孔隙后，高开孔率泡沫碳外部的熔融中间相沥青液面高于高开孔率泡沫碳的顶部；可加热容器为任何可以应用到400℃以上的容器，其内部尺寸大于高开孔率泡沫碳的外形尺寸。

3、高开孔率泡沫碳浸渍中间相沥青

将包埋高开孔率泡沫碳的容器放入到高温高压釜中，先抽真空排除泡沫碳及沥青粉中的空气，然后加热到中间相沥青软化点(SP)以上20～90℃的温度即SP+(20～90)℃，使中间相沥青熔化；用气体加压(压力范围为1kPa～15MPa)将熔融中间相沥青浸渍到泡沫碳孔隙中。恒压0.1h～2h后，停止加热，等冷却到常温后卸压到常压，取出容器，去除泡沫碳周围的多余中间相沥青，获得中间相沥青填充的高开孔率泡沫碳。

4、中间相沥青发泡增强高开孔率泡沫碳

将填充了中间相沥青的高开孔率泡沫碳放入高温高压釜中，用惰性气体加压到0.1MPa～20MPa后加热到400℃～600℃，使填充到孔隙中的中间相沥青发泡，保持温度和压力0h～5h后，冷却至常温，卸压到常压，获得增强的高开孔率泡沫碳。

5、重复包埋-浸渍-发泡工艺

将增强的高开孔率泡沫碳重复进行包埋-浸渍-发泡过程，每次重复过程中的发泡压力都比前一次增加0.1MPa～1MPa，重复的次数一般不超过8次，重复次数越多，增强后的高开孔率泡沫碳强度越高，但相应的泡沫碳的开口率就降低的越多，因此，在实际中根据泡沫碳所需性能来确定重复次数。

6、高温处理

每次或若干次增强后可进行700℃～1800℃范围内的高温处理，以提高泡沫碳的稳定性，也可在完成包埋-浸渍-发泡重复次数后，进行一次高温处理，高温处理时间一般不少于0.1h。

7、高温石墨化处理

将高温处理后的增强高开孔率泡沫碳在惰性气体保护的高温炉中，进行高温石墨化处理，处理温度在1800℃～3000℃范围内，一般处理时间不低于0.1h，形成导热增强型高开孔率泡沫碳。高温石墨化处理也可以在每次或若干次增强后进行，此后就不用再进行高温处理。

以下结合具体实施例来详细说明本发明增强过程。

实施例1

1)采用体积密度为0.3g/cm³，开孔率为92％，热导率为42W/(m·K)、抗压强度为0.3MPa的泡沫碳为增强对象，采用超声波清洗法对高开孔率泡沫碳进行清洗处理，除去泡沫碳孔隙中的碎屑。

2)以石油系中间相沥青(SP＝280℃)为浸渍剂。在不锈钢圆筒中用300目中间相沥青粉将泡沫碳进行包埋，中间相沥青粉体的用量是泡沫碳孔隙体积的10倍。

3)将中间相沥青包埋泡沫碳的圆筒放入到高温高压釜中，抽真空到100Pa，然后加热到330℃，使中间相沥青熔化；用气瓶氩气加压到0.5MPa，将熔融中间相沥青浸渍到泡沫碳孔隙中。恒压1h后停止加热，冷却到常温后卸压到常压，去除泡沫碳周围的多余中间相沥青，获得填充的泡沫碳材料。

4)将步骤3)获得的填充泡沫碳放入高温高压釜中，用惰性气体加压到2MPa，然后加热到450℃，保持2h后，冷却至常温，并卸压到常压，获得一次增强的泡沫碳。

5)将一次增强的泡沫碳重复2)、3)和4)步骤两次，第一次重复过程中填充泡沫碳的发泡压力和温度分别为2.5MPa和480℃，第二次重复过程中填充泡沫碳的发泡压力和温度分别为3.5MPa和480℃，获得三次增强的泡沫碳。第三次增强后在1100℃下进行高温处理1h。

6)将增强的泡沫碳在惰性气体保护的高温炉中，进行石墨化处理，处理温度为2800℃，恒温时间为1h，形成导热增强型泡沫碳。

经测试，利用增强泡沫碳的抗压强度为1.2MPa，热导率为105W/(m·K)，泡沫碳开孔率为81％。

实施例2

1)采用体积密度为0.36g/cm³，开孔率为90％，热导率为54W/(m·K)、抗压强度为0.5MPa的泡沫碳为增强对象；采用超声波清洗法对高开孔率泡沫碳进行清洗处理，除去泡沫碳孔隙中的碎屑。

2)以萘系中间相沥青(SP＝270℃)为浸渍剂。在不锈钢圆筒中用250目中间相沥青粉将泡沫碳进行包埋，中间相沥青粉体的用量是泡沫碳孔隙体积的10倍。

3)将中间相沥青包埋泡沫碳的圆筒放入到高温高压釜中，抽真空到100Pa，然后加热到320℃，使中间相沥青熔化；用气瓶氩气加压到1MPa，将熔融中间相沥青浸渍到泡沫碳孔隙中。恒压1h后停止加热，冷却到常温后卸压到常压，去除泡沫碳周围的多余中间相沥青，获得填充的泡沫碳材料。

4)将步骤3)获得的填充泡沫碳放入高温高压釜中，用惰性气体加压到5MPa，然后加热到480℃，保持2h后，冷却至常温，并卸压到常压，获得一次增强的泡沫碳。

5)将一次增强的泡沫碳重复2)、3)和4)步骤三次，第一次重复过程中填充泡沫碳的发泡压力和温度分别为6MPa和480℃，第二次重复过程中填充泡沫碳的发泡压力和温度分别为7MPa和490℃，第三次重复过程中填充泡沫碳的发泡压力和温度分别为8MPa和490℃，获得四次增强的泡沫碳。每次增强后都在1100℃下进行高温处理1h。

6)将增强的泡沫碳在惰性气体保护的高温炉中，进行石墨化处理，处理温度为2900℃，恒温时间为1h，形成导热增强型泡沫碳。

经测试，利用增强泡沫碳的抗压强度为1.5MPa，热导率为153W/(m·K)，泡沫碳开孔率为76％。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，清洗高开孔率泡沫碳的孔隙；

第二步，用中间相沥青包埋高开孔率泡沫碳；

第三步，高开孔率泡沫碳真空/加压熔融浸渍中间相沥青，

第四步，高开孔率泡沫碳增强，

第五步，多次重复第二步～第四步；

2.一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，其特征在于，将权利要求1中所述第六步高温处理在第四步高开孔率泡沫碳增强后进行。

3.一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，其特征在于，将权利要求1中所述第七步高温石墨化处理在第四步高开孔率泡沫碳增强后进行，不用再进行第六步高温处理。

4.根据权利要求1所述的一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，其特征在于：所述高温石墨化处理为1800～3000℃下不少于0.1h。

5.根据权利要求1所述的一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，其特征在于：所述第五步重复次数为2～8次。

6.根据权利要求1所述的一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，其特征在于：所述第四步每重复一次发泡压力增加0.1MPa～1MPa。

7.根据权利要求1所述的一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，其特征在于：所述第二步中间相沥青的用量为，中间相沥青粉熔化和进入高开孔率泡沫碳孔隙后，熔融的中间相沥青要浸没高开孔率泡沫碳。

8.根据权利要求1所述的一种高开孔率泡沫碳导热性能的增强方法，其特征在于：所述第三步中在1kPa～15MPa恒压时间为0.1h～2h。