JP2023535558A - 炭素発泡体、それを形成するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本明細書に開示の実施形態は、少なくとも１つの炭素原料を少なくとも１つの溶媒に混合して混合物を形成する工程と、混合物を非酸化性大気内で大気圧で加熱して炭素発泡体を形成する工程とによって、炭素発泡体を生成する抵抗コストな方法に関する。炭素発泡体が大気圧で生成される場合、本明細書に開示の方法は連続プロセスを含み得る。【選択図】 図１

Description

本出願は、２０２１年７月１３日に出願された「石炭発泡体、それを形成するためのシステム及び方法（ＣＯＡＬ ＦＯＡＭ、ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＦＯＲＭＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ）と題する米国仮特許出願第６３／０５１，２３４号に基づく出願であり、その開示内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものとし、その優先権を主張するものである。

発泡体（フォーム）は多孔質固体である。炭素発泡体は、２０年以上にわたって製造されており、多数の有益な特性を有している。これらの特性は、異方性又はメソフェーズピッチを発泡体前駆体として使用する場合、軽量、高い圧縮強度、断熱性、耐火性、導電性、耐カビ性、及び熱伝導性を含み得る。

炭素発泡体を形成する方法は、石炭からのｎ－メチル－２－ピロリドン（「ＮＭＰ」）可溶性抽出物を使用する工程と、その抽出物を５００ｐｓｉｇの高圧で５００℃にまで加熱して炭素発泡体を生成する工程とを含む。この従来の方法においては、抽出物は液化し、炭素の残りの部分は架橋して硬い多孔質固体を形成する。放出された揮発性物質は、溶融した液体の抽出物中に泡を作り出す。揮発性物質が溶融した抽出物内に泡を形成するように、外圧が揮発性物質の迅速な脱出を防止する。抽出物がさらに架橋すると、揮発性物質が脱出して多孔質固体が生成される。

炭素発泡体を形成する別の方法は、ポリアクリル発泡体のような炭素ベースの発泡体を使用することを含む。これらの炭素ベース発泡体は、熱分解されて純炭素又は純炭素に近い状態になる。発泡体の炭素骨格はそのまま残り、炭素発泡体が形成される。

炭素発泡体を形成するための別の方法は、コールタールピッチ又は他のピッチを、粉砕した石炭に混合する工程を含む。そしてこの混合物は、５００ｐｓｉｇの圧力で５００℃にまで加熱される。混合物を加熱することにより、ピッチが液化する。ピッチが液化すると、揮発性物質がフラックスになると考えられ、これは液化及び混合物内での架橋を促進し、炭素発泡体を生成する。

炭素発泡体を形成する別の方法は、実験室規模での試験しか行われていない。この方法は、石炭又はピッチを粉砕して粉末にすること、及び粉末を型に入れることを含む。一つの実施形態において、この方法は、適当な揮発性を有するピッチを準備すること、ピッチを粉末に粉砕すること、及び粉末を型に入れることを含む。このような実施形態では、粉末化されたピッチを特定のランプレート（ramp rate）で加熱してピッチ粒子を焼結させて炭素発泡体を生成することによってグリーン炭素（グリーンカーボン）発泡体が形成される。別の実施形態では、方法は、粉砕された石炭又はピッチをフラックス剤と混合することを含む。このような実施形態では、混合物はマイクロ波を照射され、フラックス剤が石炭又はピッチを加熱して揮発性物質の放出を引き起こし、粒子を焼結させて炭素発泡体にする。

従来公知の方法を用いて生成された炭素発泡体は、炭素発泡体を形成するためにピッチ又は他の前駆体を加熱する間に必要とされる高圧のために、開発コストがかかる場合がある。そのため、炭素発泡体の製造者及び使用者は、炭素発泡体を形成する新規で改良された方法を求め続けている。

本明細書に開示の実施形態は、部分溶媒抽出プロセスと焼結プロセス、従来の発泡、又は大気圧で行なわれる組み合わせプロセス、によって炭素発泡体を生成する低コストな方法に関する。炭素発泡体（例えば、グリーン炭素発泡体）が大気圧で生成されることを考慮すれば、本明細書に開示の方法は連続プロセスを含み得る。

いくつかの実施形態においては、炭素発泡体を形成するための方法は、少なくとも１つの炭素原料を提供する工程を含むことができる。炭素原料は、揮発性部分を含むことができる。方法はさらに、少なくとも１つの炭素原料を少なくとも１つの溶媒に混合して混合物を形成する工程を含むことができる。方法はまた、混合物を大気圧で加熱して炭素発泡体を形成する工程を含むことができる。いくつかの実施形態においては、炭素発泡体前駆体は非酸化性大気内で加熱される。

いくつかの実施形態においては、方法はさらに、部分溶媒抽出を含むことができる。部分溶媒抽出は、炭素発泡体前駆体を容器に移すことと、容器内に配置された混合物を非酸化性大気内で大気圧で中間温度にまで加熱することを含むことができる。いくつかの実施形態においては、炭素原料から抽出された揮発性物質は、溶媒から分離されるようにでき、さらにさまざまな炭素材料に加工されるようにできる。本方法は、いくつかの実施形態においては、炭素発泡体をか焼する工程をさらに含むことができる。炭素発泡体をか焼する工程は、非酸化性雰囲気中で炭素発泡体を約８００℃から約１４００℃の温度まで加熱することを含むことができる。本方法は、炭素発泡体の黒鉛化をさらに含むことができる。炭素発泡体を黒鉛化する工程は、炭素発泡体を非酸化性雰囲気中で約２０００℃から約２６００℃の温度に加熱することを含むことができる。

いくつかの実施形態においては、炭素原料は、瀝青炭、亜瀝青炭、亜瀝青炭由来のピッチ、褐炭、褐炭由来のピッチ、コールタール、再利用グリーン発泡体、及びグリーンコークスのうちの少なくとも１つを含む。少なくとも１つの炭素原料を提供する工程は、炭素原料を約１ｃｍから約５０ｎｍの平均粒子サイズに粉砕する工程を含むことができる。いくつかの実施形態においては、炭素原料を粉砕する工程は、第１の平均粒子サイズと第２の平均粒子サイズを有する二峰性の粒子サイズを生じさせる工程を含むことができる。第２の平均粒子サイズは、第１の平均粒子サイズとは異なるようにすることができる。いくつかの実施形態においては、炭素原料を粉砕する工程は、第１の炭素原料と第２の炭素原料を有する二峰性の粒子サイズを生じさせる工程を含むことができる。第２の炭素原料は、第１の炭素原料とは異なる平均粒子サイズを有することができる。いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの溶媒は、極性溶媒、非極性溶媒、有機溶媒、無機溶媒、超臨界溶媒、臨界溶媒、亜臨界溶媒、又はそれらの組み合わせを含むことができる。

いくつかの実施形態では、複合炭素発泡体を形成する方法は、部分溶媒抽出によって第１の炭素発泡体前駆体を生成する工程と、第１の炭素発泡体前駆体を粉砕して粉末にする工程とを含むことができる。粉末は、約５０ｎｍ以上の平均粒子サイズを有することができる。本方法は、第１の炭素発泡体前駆体に１つ以上の炭素繊維又は炭素繊維トウを加える工程と、第１の炭素発泡体前駆体を大気圧で加熱して複合炭素発泡体を形成する工程とを更に含むことができる。

いくつかの実施形態では、第１の炭素発泡体前駆体に１つ以上の炭素繊維又は炭素繊維トウを加える工程は、炭素発泡体前駆体の表面を横切って１つ以上の炭素繊維又は炭素トウを引き上げる工程と、追加の炭素発泡体前駆体を加えて、この炭素繊維又は炭素トウを複合炭素発泡体内に組み込む工程を含む。いくつかの実施形態において、追加の炭素発泡体前駆体は第２の炭素発泡体前駆体を含み、第２の炭素発泡体前駆体は第１の炭素発泡体前駆体とは異なるものであり、その結果、複合炭素発泡体が炭素繊維又は炭素繊維トウのところで結合する物理的特性を含む。

いくつかの実施形態において、本方法は、複合炭素発泡体をか焼する工程をさらに含むことができる。複合炭素発泡体をか焼する工程は、複合炭素発泡体を約８００℃から約１４００℃の温度まで加熱することを含むことができる。いくつかの実施形態において、本方法は、複合炭素発泡体を黒鉛化する工程をさらに含むことができる。複合炭素発泡体を黒鉛化する工程は、複合炭素発泡体を約２０００℃から約２６００℃の温度まで加熱することを含む。いくつかの実施形態において、第１の炭素発泡体前駆体は、非酸化性雰囲気中で加熱され得る。

いくつかの実施形態においては、複合炭素発泡体は、グラフェン、グラフェン酸化物、又はグラファイト外層内に配置された炭素発泡体を含むことができる。いくつかの実施形態においては、グラフェン、グラフェン酸化物、又はグラファイト外層は、約１０ｎｍ以上の厚さを有することができる。いくつかの実施形態においては、外層の特性は、外層除去プロセス環境内の材料のタイプによって制御されるようにし得る。いくつかの実施形態においては、炭素発泡体は、固体多孔質炭素発泡体内に組み込まれた炭素繊維又は炭素繊維トウを有することができる。いくつかの実施形態においては、保護コーティングは、前駆体を炭素発泡体に保持する容器の内表面に揮発性物質高含有成分を塗布すること、溶媒抽出プロセスの間に前駆体の揮発性成分を炭素発泡体に操作すること、又はそれらの組み合わせによって形成されるようにできる。複合炭素はまた、リガメント内に高度に配向された結晶子を有することができる。本明細書に開示される実施形態は、上記の方法のいずれかを用いて形成された炭素発泡体、及び上記の方法のいずれかを実行するためのシステムも含む。

開示された実施形態のいずれかからの特徴は、限定されることなく、互いに組み合わせて使用することができる。加えて、本開示の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面の検討を通じて、当業者にとって明らかになるであろう。

添付図面は、本開示のいくつかの実施形態を示し、同一の参照符号は、図面に示される本発明の異なる図又は実施形態における、同一又は類似の要素又は特徴を示す。

一実施形態による、炭素発泡体を形成する方法のフローチャートである。

一実施形態による、図１に示された方法を実施するシステムの概略図である。

一実施形態による、複合炭素発泡体を形成するための方法のフローチャートである。

本明細書で開示する実施形態は、大気圧で実施される部分溶媒抽出プロセス、焼結プロセス、従来の発泡プロセス、又は組み合わせによって炭素発泡体を生成する低コストな方法に関する。炭素発泡体（例えば、グリーン炭素発泡体）が大気圧で生成されるとした場合、本明細書に開示される方法は、連続プロセスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、炭素発泡体を生成する方法は、バッチプロセス又はセミバッチプロセスであってもよい。一例では、本明細書に開示される方法は、投入された炭素材料の特性が、部分溶媒抽出によって、外層除去プロセス環境内の材料のタイプによって制御される炭素発泡体の合成を含む。一例において、本明細書に開示された方法は、炭素発泡体の生成と同時に炭素材料の表面上にグラフェン、グラフェン酸化物、又はグラフェン保護層を生成することを含む。一例において、本明細書に開示された方法は、炭素繊維フィラメント又は炭素繊維トウを炭素発泡体中に加えることによって炭素発泡体の強度を増加させることを含む。一例において、本明細書に開示された方法は、層状投入アプローチ（layered input approach）による複合炭素発泡体の生産物を含む。本明細書で開示される実施形態は、上記の方法のいずれかを用いて形成された炭素発泡体、及び上記の方法のいずれかを実行するためのシステムも含む。

炭素発泡体を形成する例示的な方法は、炭素原料（例えば、石炭又はピッチ由来の石炭）から焼結炭素発泡体、従来の炭素発泡体、又はそれらの組み合わせを生成することを含む。このような例では、炭素原料は、容器内に提供される。いくつかの実施形態では、炭素原料は、揮発性部分を含む。炭素原料は、石炭、石炭由来のピッチ、コールタール、グラファイト、石油、石油製品、石油由来のピッチ、ナフタレン由来のピッチ、グリーン炭素発泡体、グリーンコークス、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むことができる。炭素原料の揮発性部分は、部分溶媒抽出によって減少させることができる。部分抽出は、炭素発泡体前駆体を形成するための少なくとも１つの溶媒を含む。炭素発泡体前駆体は、大気圧下で加熱されて炭素発泡体を形成することができる。いくつかの実施形態では、炭素発泡体前駆体は、非酸化性雰囲気中で加熱されることができる。部分溶媒抽出は、石炭の揮発性成分を減少させて、固定炭素と残りの揮発性物質を連続的な炭素発泡体に結合することを可能とする。発泡体の密度、品質、及びその他の特性は、少なくとも投入された石炭の粒子サイズと、前駆体材料内の残された揮発性物質の化学成分と、溶媒抽出後に残存する固定炭素と揮発性物質の比率とによって制御することができる。

図１は、一実施形態による、炭素発泡体を形成する方法１００のフローチャートである。方法１００は、工程及び／又は構成要素１０２－１２０の１つ又は複数によって例示されるように、１つ又は複数の操作、機能、構成要素、又は工程を含んでもよい。工程１０２－１２０は、例示のためのものであることに留意されたい。いくつかの例では、工程の少なくとも１つは、異なる順序で実行されてもよい。いくつかの例では、工程の少なくとも１つは、除外されてもよい。いくつかの例では、工程の少なくとも１つは、複数の工程に分割されてもよく、変更されてもよく、又は工程の追加をされてもよい。いくつかの例では、工程の少なくともいくつかが、単一の工程に組み合わされてもよい。いくつかの例では、方法１００は、炭素発泡体を黒鉛化するなどの１つ以上の追加の工程を含んでもよい。

方法１００は、工程１０２を含むことができる。工程１０２は、少なくとも１つの炭素原料を提供することを含む。いくつかの実施形態では、炭素原料は、容器内に提供されるようにすることができる。いくつかの実施形態では、容器は、炭素発泡体が形成されたときに所定の形状を有するように、通気孔のある型（ベントモールド）を含むことができる。容器（例えば、ベッセル又は型）は、生成される炭素発泡体の所望の形状に合わせて選択することができる。炭素原料は、揮発性部分を含み得る。一実施形態では、工程１０２は石炭を提供することを含む。石炭は、瀝青炭を含むことができる。現在、瀝青炭は、最高品質の炭素発泡体を生成するための最良の候補である石炭（例えば、所望の密度及び高強度を有する石炭）であると考えられている。工程１０２で提供される他の石炭は、亜瀝青炭、褐炭、又は他の任意の炭質を含む。一実施形態において、工程１０２は、１つ以上の石炭由来材料を提供することを含み得る。この１つ以上の石炭由来材料は、瀝青炭、亜瀝青炭、又は褐炭から形成される石炭由来ピッチなどを含む。石炭由来材料の他の例としては、コールタール、再利用グリーン炭素発泡体、さまざまなコークス、又は任意の他の石炭由来材料が挙げられる。一実施形態において、工程１０２は、石油由来のピッチ又は石油製品を提供することを含んでもよい。一実施形態において、工程１０２は、特定の処理条件に応じて、黒鉛及び石油などの他の炭素原料を提供し得る。また一実施形態において、工程１０２は、石炭と石炭由来のピッチの混合物又は２種類の石炭の混合物など、本明細書に開示される炭素原料のいずれかの組合せを様々な比率で提供することを含んでもよい。

工程１０２と共に、本方法は工程１０４を含み得る。工程１０４は、少なくとも１つの溶媒を提供することを含む。一実施形態において、溶媒は、少なくとも１つの極性溶媒、少なくとも１つの非極性溶媒、少なくとも１つの有機溶媒、少なくとも１つの無機溶媒、少なくとも１つの超臨界溶媒、少なくとも１つの臨界溶媒、少なくとも１つの亜臨界溶媒、又はそれらの組み合わせ（例えば、共溶媒）などを含み得る。実施形態において、溶媒は、石炭、石炭抽出物、又は他の炭素原料を少なくとも部分的に溶解する能力を有する任意の液体炭化水素を含んでもよい。工程１０６において提供され得る溶媒のいくつかの具体例としては、キノロン、テトラリン、ＮＭＰ、テトラヒドロフラン、トルエン、石炭液、コールタール蒸留物、灯油、他の石油蒸留物、原油、デカント油、又はそれらの組合せが挙げられる。

工程１０２及び１０４の後に、方法１００は工程１０６を含み得る。工程１０６は、工程１０２で提供された炭素原料を工程１０４で提供された少なくとも１つの溶媒に混合して混合物を形成することを含む。工程１０６の混合の間、炭素原料及び容器は、非酸化性大気内で大気圧で加熱される。

工程１０６は、形成された混合物を生成される炭素発泡体の所望の形状のために選択された容器（例えば、ベッセル又は型）に移すことを含む。部分溶媒抽出は、使用される溶媒に基づいて特定の揮発性物質が石炭から除去されるように、石炭又は他の供給材料の上で生じる。固定炭素構造中の残りの揮発性物質は、石炭粒子を一緒に焼結すること、従来の炭素発泡を大気圧で実施すること、又はその２つの組み合わせを行なって固体炭素発泡体を形成するために利用できる。そして、炭素発泡体前駆体材料は、容器に移されて、室温から中間温度にまで非酸化性大気中で大気圧で加熱される。特に、工程１０６は混合物中の揮発性物質に混合物中に泡を形成させ、炭素原料は結合又は固着し始めてグリーン炭素発泡体を形成し得る。

中間温度は、約３００℃以上、約３５０℃以上、約４００℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約３００℃から約４００℃の範囲、約３５０℃から約４５０℃の範囲、又は約４００℃から約５００℃の範囲とし得る。容器は、選択された速度で加熱され得る。少なくとも１つの速度は、１分当り約０．２５℃（「℃／分」）以上、約０．５℃／分以上、約１℃／分以上、約１．５℃／分以上、約２℃／分以上、約３℃／分以上、約４℃／分以上、約５℃／分以上、約７．５℃／分以上、約１０℃／分以上、約１５℃／分以上、約２０℃／分以上、約３０℃／分以上、約４０℃／分以上、約５０℃／分、約０．２５℃／分から約１℃／分、約０．５℃／分から約１．５℃／分、約１℃／分から約２℃／分、約１．５℃／分から約３℃／分、約２℃／分から約４℃／分、約３℃／分から約５℃／分、約４℃／分から約７．５℃／分、約５℃／分から約１０℃／分、約７．５℃／分から約１５℃／分、約１０℃／分から約２０℃／分、約１５℃／分から約３０℃／分、約２０℃／分から約４０℃／分、約３０℃／分から約５０℃／分の範囲とし得る。速度は、炭素原料の組成、使用する溶媒、混合物中の炭素原料の量、炭素発泡体の所望の多孔性、グリーン炭素発泡体の断熱特性、又は混合物中で一貫した温度勾配を可能とする速度などに基づいて選択し得る。

一実施形態においては、工程１０６は、容器を複数の速度で加熱することを含み得る。例えば、容器は、第１の速度で第１の温度にまで加熱され、次いで第２の速度で第２の温度にまで加熱され得る。概して、混合物が発泡することによりその断熱特性が増加して混合物内での一貫した熱勾配を維持するためにより低い速度が必要になるため、第１の速度は第２の速度よりも大きい。換言すれば、加熱速度の低下は、一貫した熱勾配を作り出すこと、すなわちより一貫でより強固な固体炭素発泡体によるものである。特定の非制限的な例においては、容器は、約２５０℃から約３００℃などの約２００℃から約３５０℃の温度に到達するまで、第１の速度（例えば、約２℃／分から約５０℃／分）で加熱され得る。そして、容器は、中間温度に到達するまで、第２の速度（例えば、約０．２５℃／分から約１５℃／分）で加熱される。

工程１０６は、容器の温度を中間温度から最終温度にまで増加させて、固定炭素骨格を架橋結合してより強固な炭素発泡体を形成することになる追加の揮発性物質を追い出すことを含む。最終温度は、約４００℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約７００℃以上、又は約４００℃から約５００℃、約４５０℃から約５５０℃、約５００℃から約６００℃、若しくは約５５０℃から約７００℃の範囲とし得る。容器が中間温度から最終温度にまで加熱される速度は、１分当り約０．２５℃（「℃／分」）以上、約０．５℃／分以上、約１℃／分以上、約１．５℃／分以上、約２℃／分以上、約３℃／分以上、約４℃／分以上、約５℃／分以上、約７．５℃／分以上、約１０℃／分以上、約１５℃／分以上、約２０℃／分以上、約３０℃／分以上、約４０℃／分以上、約５０℃／分又は約０．２５℃／分から約１℃／分、約０．５℃／分から約１．５℃／分、約１℃／分から約２℃／分、約１．５℃／分から約３℃／分、約２℃／分から約４℃／分、約３℃／分から約５℃／分、約４℃／分から約７．５℃／分、約５℃／分から約１０℃／分、約７．５℃／分から約１５℃／分、約１０℃／分から約２０℃／分、約１５℃／分から約３０℃／分、約２０℃／分から約４０℃／分、約３０℃／分から約５０℃／分の範囲とし得る。一実施形態においては、炭素発泡体が発泡するときにより高い断熱性となるように一定の温度勾配を維持するために、容器が中間温度から最終温度に加熱される速度は、容器が室温から中間温度にまで加熱される速度未満（例えば、第１の速度又は第２の速度未満）とし得る。工程１０６は、大気圧で及び/又は非酸化性大気内で実施し得る。

特に、工程１０６は、炭素原料内からの揮発性物質が炭素原料から抽出されるようにすることができる。いくつかの実施形態では、揮発性物質は、結合又は固着を開始してグリーン炭素発泡体を形成することができる。この間、部分的な溶媒抽出が起きて、揮発性物質は石炭から除去されて次いで気化される。残りの揮発性物質は、石炭粒子を一緒に焼結し、また炭素発泡体前駆体を形成するために利用可能である。本明細書での使用において、大気圧は、標高の変化や天候による大気圧の変動を考慮し、一般に－１ｐｓｉｇから約１ｐｓｉｇである。しかしながら、大気圧は、－１０ｐｓｉｇ（例えば、１０ｐｓｉｖ）から約１５ｐｓｉｇの範囲の圧力も含むことができる。本明細書での使用において、非酸化性雰囲気は、大気よりも酸化性の低い（例えば、酸素を含まない）雰囲気を含む。非酸化性雰囲気の例としては、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン／窒素雰囲気、又は他の任意の適切な非酸化性雰囲気が挙げられる。

工程１０６の間、溶媒は、炭素原料が加えられて攪拌される。一実施形態において、滞留時間は、炭素原料と溶媒との間に均質な混合物を作るのに十分なものである。滞留時間は、約１秒以上、約１５秒以上、約３０秒以上、約４５秒以上、約１分以上、約５分以上、約１５分以上、約３０分以上、約４５分以上、約１時間以上、約２時間以上、約６時間以上、約１２時間以上であってもよい。又は、約１秒から約３０秒、約１５秒から約４５秒、約３０秒から約１分、約４５秒から約５分、約１分から約１５分、約５分から約３０分、約１５分から約４５分、約３０分から約１時間、約４５分から約２時間、約１時間から約６時間、又は約２時間から約１２時間の範囲内である。滞留時間は、炭素原料及び溶媒を撹拌するために使用される方法（例えば、機械的混合、機械的混合器のサイズ、超音波撹拌など）、混合物中の炭素原料の重量パーセント、及び炭素原料中の溶媒の濡れ性に基づいて選択され得る。一実施形態においては、例えば、グリーン発泡プロセスの目的のために石炭粒子が溶媒に不均一に濡れることが望まれる場合などは、滞留時間は均質な混合物を形成するのに十分ではない。

炭素原料は、通常、重量で、溶媒よりも混合物の多くを形成する。例えば、炭素原料は、約５５重量パーセント（「ｗｔ．％」）以上、約６０ｗｔ．％以上、約６５ｗｔ．％以上、約７０ｗｔ．％以上、約７５ｗｔ．％以上、約８０ｗｔ．％以上、約８５ｗｔ．％以上、約９０ｗｔ．％以上など、混合物の５１ｗｔ．％以上、又は約５１ｗｔ．％から約６０ｗｔ．％、約５５ｗｔ．％から約６５ｗｔ．％、約６０ｗｔ．％から約７０ｗｔ．％、約６５ｗｔ．％から約７５ｗｔ．％、約７０ｗｔ．％から約８０ｗｔ．％、約７５ｗｔ．％から約８５ｗｔ．％、約８０ｗｔ．％から約９０ｗｔ．％、約８５ｗｔ．％から約９５ｗｔ．％の範囲とし得る。いくつかの実施形態では、炭素原料は、混合物の５０ｗｔ．％未満としてもよい。溶媒は、炭素原料の表面をコーティングし、混合物中の揮発性物質を効率的に部分溶媒抽出するために、最大の接触表面積を作り出すべきである。様々な炭素原料が、最終製品の所望の特性に応じて、異なる溶媒ブレンドを有し、様々な重量パーセントの混合物を形成するであろう。さらに、同じ炭素原料はまた、様々な溶媒又は溶媒ブレンドを有し、様々な所望の製品を製造することができる。一例では、炭素原料の表面積を増加すると炭素原料をコーティングするためにより多くの溶媒を必要とするかもしれないので、炭素原料の重量パーセントは炭素原料の表面積に依存することができる。一例では、混合物中の溶媒の量を増加させると多孔度が増加する可能性があるので、炭素原料の重量パーセントは炭素発泡体の所望の多孔度に基づいて選択するようにすることができる。一実施例では、混合物中の炭素原料の重量パーセントは、炭素原料の組成に基づいて選択されてもよい。例えば、石炭由来のピッチ及び石油由来のピッチはその中に揮発性化合物を含み得、それによって所望の炭素発泡体を形成するために必要とされる追加の溶媒の量を削減することができる。

工程１０６の間及び／又は後に、方法１００は、いくつかの実施形態において、溶媒及び石炭液体を回収する工程１０８を含むことができる。工程１０８は、工程１０６の間に生成された溶媒及び液体（例えば、石炭液）を回収することを含む。例えば、混合物及びグリーン炭素発泡体の形成は、温度が上昇するにつれて蒸気を発生させる可能性がある。これらの蒸気は、溶媒と同様に炭素原料から放出される揮発性物質である。これらの揮発性物質が追い出されると、それは回収することもできるし、単に熱酸化装置や炉に送り込んで燃焼させることもできる。使用される溶媒の価値に応じて、製品に組み込まれないのであれば、工程１１０で示されるように、それは追加の使用のために分離して工程に戻してリサイクルすることができる。液体は回収され、他の炭素材料プロセスで使用されるか、又は工程１１２で示されるように、追加の化学物質を生成するための原料として販売されることができる。経済性に基づいて、溶媒は、製品に付加価値を与えるために、回収された液体において特定の特性又は特徴を生じさせるように選択することができる。

工程１０６の後、方法１００は、炭素発泡体前駆体を形成する工程１１４を含むことができる。一般に、炭素発泡体の特性は、主に発泡体前駆体及び発泡セル構造に依存する。石炭及び石炭抽出物は、好適な発泡体前駆体である。これらは、構造的用途及びエネルギー吸収に適した強固な等方性発泡体を生成する。

方法１００は、炭素前駆体を粉砕し、サイジング（サイズ分け）する工程１１５を含むこともできる。例えば、工程１１５は、炭素前駆体の固体粒子が、約５０ｎｍ以上、約１００ｎｍ以上、約２５０ｎｍ以上、約５００ｎｍ以上、約７５０ｎｍ以上、約１μｍ以上、約５μｍ以上、約１０μｍ以上、約２５μｍ以上、約５０μｍ以上、約１００μｍ以上、約２５０μｍ以上、約５００μｍ以上、約７５０μｍ以上、約１ｍｍ以上、約２．５ｍｍ以上、約５ｍｍ以上、約１ｃｍ以上、約７．５ｍｍ以下、約５ｍｍ以下、約２．５ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約７５０μｍ以下、約５００μｍ以下、約２５０μｍ以下、約１００μｍ以下、約７５μｍ以下、約５０μｍ以下、約２５μｍ以下、約１０μｍ以下、約５μｍ以下、約１μｍ以下、約５０ｎｍから約２５０ｎｍ、約１００ｎｍから約５００ｎｍ、約２５０ｎｍから約７５０ｎｍ、約５００ｎｍから約１μｍ、約７５０ｎｍから約２．５μｍ、約１μｍから約５μｍ、約２．５μｍから約７．５μｍ、約５μｍから約１０μｍ、約７．５μｍから約２５μｍ、約１０μｍから約５０μｍ、約２５μｍから約７５μｍ、約５０μｍから約１００μｍ、約７５μｍから約２５０μｍ、約１００μｍから約５００μｍ、約２５０μｍから約７５０μｍ、約５００μｍから約１ｍｍ、約７５０μｍから約２．５ｍｍ、約１ｍｍから約５ｍｍ、約２．５ｍｍから約７．５ｍｍ、又は約５ｍｍから約１ｃｍである平均粒子サイズを示すまで、炭素前駆体を粉砕することを含んでもよい。炭素前駆体の平均粒子サイズは、粉砕機又は均質化装置を使用するなど、粉砕以外の技術を使用して、本明細書に開示される平均粒子サイズのいずれかに低減され得る。炭素前駆体の粒子サイズを小さくした後、炭素前駆体は、大きな粒子を除去して平均粒子サイズを小さくする、小さな粒子を除去して平均粒子サイズを大きくする、又は炭素前駆体がより均一な粒子サイズを示すようにする、の少なくとも１つのサイズ分け（例えば、ふるい分け）してもよい。

炭素前駆体の平均粒子サイズは、炭素形態の所望の特性に基づいて選択することができる。一例では、比較的大きな粒子サイズを示す炭素前駆体は、比較的小さな粒子サイズを示す炭素原料よりも大きな平均細孔サイズを示す炭素発泡体を形成することができる。炭素前駆体の平均細孔サイズは、炭素発泡体の強度及び密度に影響を与える可能性がある。一例として、炭素前駆体は、単一モードの粒子サイズ、又は二峰性以上の粒子サイズを示してもよい。単一モードの粒子サイズを示す炭素前駆体は、単一の平均粒子サイズを示し得る。二峰性以上の粒子サイズを示す炭素前駆体は、第１の平均粒子サイズを示す第１の炭素前駆体と、第１の平均粒子サイズとは異なり区別できる（例えば、少なくとも約１０％大きい、少なくとも約２５％大きい、少なくとも５０％大きい、又は少なくとも１００％大きい）第２の平均粒子サイズを示す第２の炭素前駆体とを含み得る。単一モード粒子サイズを示す炭素前駆体は、二峰性以上の粒子サイズを示す炭素前駆体よりも大きい空隙率（例えば、平均孔径及び／又はパーセント空隙）及び小さい密度を示し得る。

工程１１５の間に及び／又は後に、方法１００は、抽出された部分を収集する工程１１６を含むこともできる。いくつかの実施形態では、方法１００の工程１１８によって示されるように、抽出された部分をさらに処理して、少なくとも１つの他の炭素材料を生成することができる。工程１１８において、少なくとも１つの他の炭素材料は、ピッチ、グラフェン、炭素繊維、又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含むことができる。

工程１１５の後、本方法は、炭素発泡体前駆体を大気圧で加熱して炭素発泡体を形成する工程１２０を含むことができる。いくつかの実施形態では、工程１２０は、炭素発泡体の温度を約３００℃以上、約３５０℃以上、約４００℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、又は約３００℃から約４００℃、約３５０℃から約４５０℃、又は約４００℃から約５００℃の範囲に加熱するようにすることができる。最終温度は、約４００℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約７００℃以上、又は約４００℃から約５００℃、約４５０℃から約５５０℃、約５００℃から約６００℃、又は約５５０℃から約７００℃の範囲内であってよい。炭素発泡体前駆体は、発泡体を成形し、昇温速度を制御するように構成された容器又はコンテナ内とすることができる。容器は、選択された速度で加熱され得る。少なくとも１つの速度は、１分当り約０．２５℃（「℃／分」）以上、約０．５℃／分以上、約１℃／分以上、約１．５℃／分以上、約２℃／分以上、約３℃／分以上、約４℃／分以上、約５℃／分以上、約７．５℃／分以上、約１０℃／分以上、約１５℃／分以上、約２０℃／分以上、約３０℃／分以上、約４０℃／分以上、約５０℃／分、又は約０．２５℃／分から約１℃／分、約０．５℃／分から約１．５℃／分、約１℃／分から約２℃／分、約１．５℃／分から約３℃／分、約２℃／分から約４℃／分、約３℃／分から約５℃／分、約４℃／分から約７．５℃／分、約５℃／分から約１０℃／分、約７．５℃／分から約１５℃／分、約１０℃／分から約２０℃／分、約１５℃／分から約３０℃／分、約２０℃／分から約４０℃／分、約３０℃／分から約５０℃／分とすることができる。速度は、炭素原料の組成、使用される溶媒、混合物中の炭素原料の量、炭素発泡体の所望の多孔性、グリーン炭素発泡体の絶縁特性、又は混合物中の一定の熱勾配を可能にする速度等に基づいて選択することができる。

一実施形態において、工程１２０は、複数の速度で炭素発泡体前駆体を加熱することを含む。例えば、容器を第１の速度で第１の温度まで加熱し、次いで容器を第２の速度で第２の温度まで加熱してもよい。一般に、混合物を発泡させるとその熱絶縁性が高まるため、混合物中の熱勾配を一定に保つために低い速度が必要となるので、第１の速度は第２の速度より大きくなる。言い換えれば、加熱速度の減少は、一貫した熱勾配を作り出すことに起因し、したがって、より一貫した、より強い固体炭素発泡体を作り出すことに起因する。特定の非限定的な例では、容器は、約２００℃から約３５０℃、例えば約２５０℃から約３００℃の温度に達するまで、第１の速度（例えば、約２℃／分から約５０℃／分）で加熱するようにすることができる。次いで、グリーン炭素発泡体が形成されるまで、容器を第２の速度（例えば、約０．２５℃／分から約１５℃／分）で加熱する。一実施形態において、炭素発泡体前駆体の加熱は、炭素発泡体が形成されるにつれてより断熱的になるため、温度勾配を均一に維持するために少なくとも一度は加熱速度を調整する必要がある場合がある。工程１２０は、大気圧で、及び／又は非酸化性雰囲気で実施するようにすることができる。

炭素発泡体前駆体を加熱する工程１２０の間、上述した抽出部分に関する工程１２２は、炭素発泡体の外面上に保護層を形成する。いくつかの実施形態では、炭素発泡体は、固体の多孔質炭素と、多孔質炭素内に組み込まれた炭素繊維又は炭素繊維トウ（図２を参照して後述）と、炭素発泡体の外面上に配置された保護コーティングと、を含む。工程１２２において、保護コーティングは、炭素繊維前駆体を保持する容器の内表面に揮発性物質高含有成分を塗布することによって形成される。いくつかの実施形態では、工程１２２は、溶媒抽出プロセス中に炭素発泡体前駆体の揮発性成分を操作し得る。他の実施形態では、工程１２２は、容器の内表面に揮発性物質高含有成分を塗布することと、溶媒抽出プロセス中に炭素発泡体前駆体の揮発性成分を操作することの組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、工程１２０の間に、容器にピッチを添加する工程１２４が方法１００に含まれてもよい。ピッチは、抽出された部分と同様に、炭素発泡体の外面上に保護層を形成することができる。揮発性物質は部分溶媒抽出工程１０６の間に除去されているので、保護層の利点を提供するために、工程１２４でピッチを添加してもよい。

一実施形態において、保護層は、グラフェン、酸化グラフェン、グラファイト、非多孔質炭素の発泡体、又はそれらの組み合わせを含んでもよい。層は、炭素発泡体の少なくとも一部の上に形成されてもよい。保護層は、炭素発泡体の上述した欠陥の少なくとも一部を改善する保護コーティングを含んでもよい。例えば、炭素原料（例えば、石炭又は石炭抽出物）及び／又は炭素発泡体前駆体を、例えば工程１０６及び１２０の間に、非酸化性環境下で容器内で加熱すると、グラフェン、酸化グラフェン、又はグラファイトを所望の固体炭素発泡体と共に生成することができる。このような条件下では、グラフェン、酸化グラフェン、又はグラファイトは、容器との界面において炭素発泡体の外側に沿って層状に集まる傾向がある。その結果、酸化グラフェンのスキン又は外層を有する多孔質固体炭素発泡体が得られる。両方の形態の炭素が同じ出発材料から得られるので、熱膨張係数は、多孔質炭素と酸化グラフェンとの間の結合がそのままか又は工程１２６のか焼及び工程１２８の黒鉛化のさらなるプロセスの間に強化されるようなものである。

炭素原料（例えば、石炭、石炭由来のピッチ、又は石油由来のピッチ）及び／又は使用される溶媒の揮発性成分は、保護層が堆積されるかどうか、及び堆積される場合にはその層の厚さと品質を決定する主因である。適切な加熱条件下で適切な濃度の揮発性物質が利用できると、揮発性物質が炭素のｓｐ２－ハイブリッド型に変換されるようになる。炭素原料及び／又は混合物の揮発性成分が多いほど、炭素発泡体の外側に生成されるグラフェン及び／又は酸化グラフェンの量が多くなる。これは、ピッチから炭素発泡体及びコークスを生成する場合に特に明らかである。

炭素発泡体上にその場で形成された保護層は、約１０ｎｍ以上、約５０ｎｍ以上、約１００ｎｍ以上、約２５０ｎｍ以上、約５００ｎｍ以上、約７５０ｎｍ以上、約１μｍ以上、約５μｍ以上、約１０μｍ以上、約２５μｍ以上、約５０μｍ以上、約１００μｍ以上、約２５０μｍ以上、約５００μｍ以上、約７５０μｍ以上、約１ｍｍ以上、又は約５０ｎｍから約２５０ｎｍ、約１００ｎｍから約５００ｎｍ、約２５０ｎｍから約７５０ｎｍ、約５００ｎｍから約１μｍ、約７５０ｎｍから約２．5μｍ、約１μｍから約５μｍ、約２．５μｍから約７．５μｍ、約５μｍから約１０μｍ、約７．５μｍから約２５μｍ、約１０μｍから約５０μｍ、約２５μｍから約７５μｍ、約５０μｍから約１００μｍ、約７５μｍから約２５０μｍ、約１００μｍから約５００μｍ、約２５０μｍから約７５０μｍ、又は約５００μｍから約１ｍｍの厚さである。グラファイト層は、生成される場合、約１－２ｃｍの最大厚さを有する。

建築材料として炭素発泡体を使用することの欠点の１つは、完成品の表面である。炭素発泡体の表面は粗い質感を有し、擦ると怪我をする可能性がある。炭素発泡体の別の欠点は、露出した炭素発泡体表面の経時的な耐久性である。炭素発泡体は、摩耗が進むと、やがて構造体から粒子が剥がれ落ちる。建築材料として成立させるためには、炭素発泡体に保護コーティングを施す必要がある。現在のところ、炭素発泡体の特性を生かすために、同様の熱膨張係数で同様の条件に耐える経済的に実現可能な炭素発泡体保護コーティングについては、信頼できる技術がまだ存在しない。さらに、保護コーティングは、標準的な方法を用いて炭素発泡体を生成する際の既に高いコストをさらに高くするだけである。

工程１２０の後に、方法１００は工程１２６を含むことができる。工程１２６は、工程１２０で形成された炭素発泡体を約８００℃から約１４００℃（例えば、約８００℃から約１０００℃、約９００℃から約１２００℃、又は約１１００℃から約１４００℃）に加熱して揮発性物質をさらに追い出し、架橋を継続させて炭素の割合を多くしたより強い固体炭素発泡体を生成するか焼工程を含む。この工程はまた、発泡体の絶縁性及び材料が均一に加熱されないと割れるという性質のために、長い滞留時間を有する。工程１２６は、必ずしも必要ではないが、大気圧及び／又は非酸化性雰囲気で行なわれるようにすることもできる。

工程１２６の後に、方法１００は、工程１２８を含んでもよい。工程１２８は、黒鉛化（グラファイト化）を含む。黒鉛化とは、炭素発泡体を２０００℃から約２６００℃、例えば約２５００℃の温度にすることで、ほぼ全ての残存揮発性物質が追い出され、純粋な炭素材料が残されることである。この工程１２８は、通常、高い熱伝達が望まれる炭素発泡体に対して取られる。これらの炭素発泡体は、通常、非常に厳しい環境に耐えることができる一方で、熱を放散及び／又は伝導させるために使用される。黒鉛化工程は、必ずしも必要ではないが、大気圧及び／又は非酸化性雰囲気で行われるようにすることもできる。

いくつかの実施形態では、方法１００は、最終的な炭素発泡体を生成する工程１３０を含む。工程１２６及び工程１２８は、方法１００において必ずしも必要とされないが、炭素発泡体における所定の特性を達成するために望ましい。

図２は、一実施形態による、方法１００を実施し得るシステム２００の概略図である。システム２００は、少なくとも１つの粒子サイズ装置２０４に結合されて粒子サイズ装置２０４に炭素原料を提供するようにされた少なくとも１つの炭素原料貯蔵部２０２を有する。例えば、炭素原料貯蔵部２０２は、粒子サイズ低減装置２０４の入口に結合された出口を有し得る。粒子サイズ装置２０４は、炭素原料の粒子サイズの低減、制御、又は選択のうちの少なくとも１つを行なうようにされた任意の装置を有し得る。例えば、粒子サイズ装置２０４は、グライディング装置、ミリング装置、破砕機、均質化装置、ふるい分け装置、又は他の任意の適した装置を含み得る。システム２００は、単一の粒子サイズ装置を有するのみであるが、システム２００は、グライディング装置やふるい分け装置のような複数の粒子サイズ装置を有していてもよい。炭素原料貯蔵部２０２から供給される炭素原料が既に所望のサイズを有する場合などは、粒子サイズ装置は、システム２００から省略することができる。

粒子サイズ装置２０４（又は、粒子サイズ装置２０４が省略されている場合には炭素原料貯蔵部２０２）は、炭素原料を混合装置２０６に提供するようにされている。例えば、粒子サイズ装置２０４は、混合装置２０６の入口に結合された出口を有し得る。システム２００はまた、少なくとも１つの溶媒を混合装置２０６に提供するようにされた溶媒貯蔵部２０８を有する。例えば、溶媒貯蔵部２０８は、混合装置２０６の入口（炭素原料を受け取ったのと同じ入口又は異なる入口）に結合された出口を有し得る。混合装置２０６は、炭素原料と溶媒を一緒に混合して混合物を形成するようにされている。そのようにして、混合装置２０６は、炭素原料及び溶媒を保持するようにされたチャンバ、並びに、随意的に、炭素原料を溶媒に混合するようにされたミキサーを有し得る。ミキサーは、機械的ミキサー又は超音波トランスデューサーのような任意の適切なミキサーを含み得る。

混合装置２０６は、混合物を炉２１０に提供するようにされている。例えば、混合機２０６は出口を有し、炉２１０は入口を有し得る。炉２１０は、混合物を受け取るようにされた容器を含み得る。炉２１０は、容器を選択された温度にまで１つ又は複数の選択された速度で加熱するようにし得る。図示の実施形態においては、システム２００は、方法１００の工程１１０及び１１２を実施するようにされた単一の炉２１０を有する。しかしながら、システム２００は、工程１１０及び１１２の異なる部分を実施する２つ以上の炉を有していてもよい。炉２１０はまた、上述のように、方法１００を連続プロセスとすることを可能とする連続ベルト２１２を有し得る。

システム２００は、少なくとも１つの不活性ガスを炉２１０に提供するようにされた不活性ガス貯蔵部２１４を有し得、それによって混合物が非酸化性大気中で加熱されるようにすることができる。システム２００はまた、炭素繊維を炉２１０に提供するようにされた炭素繊維供給源２１６を有し得る。システム２００はまた、上述のように、溶媒及び液体を炉２１０から受け取るようにされた溶媒・液体回収装置２１８を有し得る。溶媒・液体回収装置２１８は、回収した溶媒及び液体を溶媒貯蔵部２２０及び液体貯蔵部２２２にそれぞれ提供するようにし得る。溶媒貯蔵部２２０は、溶媒貯蔵部２０８とは別のもの、溶媒貯蔵部２０８に流体連通したもの、又は溶媒貯蔵部２０８と同じものとすることができる。

システム２００は、炭素発泡体を炉２１０から受け取って炭素発泡体をか焼するようにされたか焼炉２２４を有し得る。一実施形態においては、図示のように、か焼炉２２４は、炉２１０とは別のものである。しかしながら、か焼炉２２４は炉２１０と一体的に形成し得る。

システム２００はまた、炭素発泡体をか焼炉２２４から受け取って炭素発泡体を黒鉛化するようにされた黒鉛化炉２２６を有し得る。一実施形態においては、図示のように、黒鉛化炉２２６は、炉２１０及びか焼炉２２４とは別のものである。しかしながら、黒鉛化炉２２６は、炉２１０又はか焼炉２２４のうちの少なくとも１つと一体的に形成し得る。

また、リガメント内の高度に配向された結晶子を有する黒鉛炭素発泡体は、応用を可能にする多くの高い価値及び特性を有することが示されてきた。ピッチ溶液の異方性相を形成するための石炭又は他のメソフェーズ形成炭素前駆体生産物の処理が、ステップ１に示される。ステップ２において、ピッチ溶液は、異方性／等方性の比率及び部分溶媒抽出による揮発性成分が最適化されるようにできる。いくつかの実施形態においては、これらのプロセスは垂直的に統合された処理施設において実施されるようにできる。プロセス及び最適化されたピッチ溶液は、押し出し器の中に提供されて、炭素発泡体、炭素発泡体を含む複合材料、グラフェン酸化物、及び/又はその上に形成又はコーティングされたグラフェン酸化物を含む炭素材料などの、ここの説明された炭素生産物の何れかに形成されるようにできる。

図３は、一実施形態による、複合炭素発泡体を形成するための方法３００のフローチャートである。いくつかの実施形態では、炭素発泡体は、固体の多孔質炭素と、多孔質炭素内に組み込まれた炭素繊維又は炭素繊維トウと、炭素発泡体の外面上に配置された保護コーティングとを含むことができる。方法１００に関して説明したように、保護コーティングは、炭素発泡体の前駆体を保持する容器の内面に揮発性物質高含有成分を塗布すること、溶媒抽出プロセスの間に炭素発泡体の前駆体の揮発性成分を操作すること、又はそれらの組み合わせによって形成することができる。いくつかの実施形態では、保護コーティングは、グラフェン、酸化グラフェン、非多孔質炭素の発泡体、又はそれらの組み合わせを含む。

方法３００は工程３０２を含み得る。工程３０２は、上述の工程１０６と同様又は同じ部分溶媒抽出によって、第１の炭素発泡体前駆体を生成することを含む。しかしながら、いくつかの実施形態では、炭素発泡体は、炭素発泡体の２つ以上の前駆体から生成することができる。いくつかの実施形態では、炭素発泡体の一部は、第１の前駆体から生成することができ、炭素発泡体の別の部分は、第２の前駆体から生成することができる。いくつかの実施形態では、炭素発泡体を生成するために、第３の前駆体又はそれ以上の前駆体が含まれ得る。いくつかの実施形態では、第１の前駆体から生成された炭素発泡体は、第２の前駆体から生成された炭素発泡体の一部とは異なる特性を示すことができる。いくつかの実施形態では、第３の前駆体から生成された炭素発泡体は、第１及び／又は第２の前駆体から生成された炭素発泡体の部分とは異なる特性を含むことができる。いくつかの実施形態では、特性としては、熱伝達性、強度、重量、又は電気伝導度の少なくとも１つを含むことができる。方法３００は工程３０４を含み得る。工程３０４は、第１の炭素発泡体前駆体を、上述した工程１１５と同様に又は同じように粉砕して粉末にすることを含む。いくつかの実施形態では、粉末化されたものは、約５０ｎｍ以上の平均粒子サイズを含む。

方法３００は、工程３０６をさらに含む。工程３０６は、１つ又は複数の炭素繊維及び／又は炭素繊維トウを第１の炭素発泡体前駆体に加えることを含む。炭素繊維及び／又は炭素繊維トウは、グリーン炭素繊維、か焼炭素繊維、又はグリーン炭素繊維とか焼炭素繊維の中間となるように熱処理された炭素繊維を含むことができる。炭素繊維を炭素発泡体に加えることにより、炭素発泡体の熱特性及び強度を調整可能に変更することができる。例えば、この炭素繊維の原料を温度を上昇させながら炉に通すことにより、連続プロセスで炭素発泡体複合体を生成することができる。このような方法を用いて、この炭素繊維は、材料の第２の層（例えば、追加の炭素発泡体、追加の前駆体、追加の量の混合物、及び／又は炭素繊維の追加の層）が炭素繊維の上に置かれるようにしながら、加熱プロセスと同じ方向に炭素発泡体の表面を横切って引き上げることが可能である。このようにして、炭素発泡体は、炭素繊維の周囲に形成され、炭素繊維が固体炭素発泡体複合物を強化するための強化筋として機能するようになる。

従来の炭素発泡体とは異なり、方法３００は、炭素繊維強化筋を設けながら、部分溶媒抽出によって炭素発泡体を生成することを可能にする。一例では、炭素発泡体は、材料のサイズが垂直に増加するにつれて炭素原料が実際に発泡する従来の発泡方法とは対照的に、炭素原料が一緒に融合する焼結プロセスによって生成される。発泡体を作るために粒子を焼結する方法は、炭素繊維が発泡プロセスを通して変化なくそのままであることを可能にする。一例では、方法３００の少なくとも一部を真の連続プロセスにすることができる。例えば、少なくとも工程３０４及び３０６は、炭素発泡体の固体炭素骨格が形成される工程であるため、連続プロセスにすることができる。従来の炭素発泡体の生成方法では、粉砕した石炭を容器又は型に入れ、不活性環境下で加圧しながら温度を上昇させる。粉炭の性質、金型、発泡が行なわれるオートクレーブ内の過酷な発泡環境から、成形中の炭素発泡体の中心に炭素繊維を張設することは不可能であった。しかし、炭素発泡体を連続ベルト上で進行させながら成形する工程では、炭素繊維を複合材料に組み込むことができ、また炭素発泡体の生成が進むにつれて供給し続けることができる。一例として、部分溶媒抽出及びグリーン発泡体プロセス工程における大気圧条件により、炭素繊維を炭素発泡体内に配置することができる。従来のグリーン炭素発泡体の生成方法の多くは、圧力を必要とする。方法３００において、部分溶媒抽出法は、連続プロセスを可能にする大気圧での工程３０２を可能にする。それはまた、炭素繊維を混合物に導入することを、圧力下のシステムでは不可能であるのに対し、可能にする。工程３０６は、炭素発泡体前駆体の表面を横切って１つ以上の炭素繊維を引き上げ、その後、追加の炭素発泡体前駆体を加えて炭素繊維又は炭素繊維トウを複合炭素発泡体中に組み込むことができる。いくつかの実施形態では、追加の炭素発泡体前駆体は、第２の炭素発泡体前駆体を含む。第２の炭素発泡体前駆体は第１の炭素発泡体前駆体とは異なるものであり、その結果、複合炭素発泡体が炭素繊維又は炭素繊維トウのところで結合する物理的特性を含む。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の炭素繊維又は炭素繊維トウを加える工程３０６は、１つ又は複数の炭素繊維又は炭素繊維トウに張力を加えることを含む。張力は、多孔質炭素及び炭素繊維の熱膨張を補償するようにされる。張力は、いくつかの実施形態において、工程３０６の前に加えられてもよい。

方法３００は、工程３０８を更に含む。工程３０８は、第１及び／又は第２の炭素発泡体前駆体並びに１つ以上の炭素繊維及び／又は炭素繊維トウを大気圧で加熱して、複合炭素発泡体を形成することを含む。いくつかの実施形態では、第１及び／又は第２の炭素発泡体前駆体並びに１つ以上の炭素繊維及び／又は炭素繊維トウは、非酸化性環境において加熱される。方法３００は、工程３１０をさらに含むことができる。工程３１０において、複合炭素発泡体はか焼される。複合炭素発泡体をか焼する工程は、複合炭素発泡体を約８００℃から約１４００℃の温度まで加熱することを含む。いくつかの実施形態において、方法３００は、工程３１２をさらに含むことができる。工程３１２において、複合炭素発泡体は、黒鉛化される。複合炭素発泡体は、約２０００℃から約２６００℃の温度に加熱することによって黒鉛化されるようにできる。複合炭素発泡体をか焼して黒鉛化することで、残存する揮発性化合物を追い出す。

いくつかの実施形態において、多孔質炭素の熱膨張係数は、炭素繊維及び／又は炭素繊維トウの熱膨張係数とほぼ同じである。炭素繊維で生成された炭素発泡体の熱膨張係数を一致させることによって、複合炭素発泡体の全体はそのままで、か焼ステップ３１０及び／又は黒鉛化ステップ３１２を経ることができる。炭素材料の架橋において追加の揮発性物質が追い出されるにつれて、体積が減少する。炭素繊維複合発泡体は、か焼条件を制御し、また正しい投入材料を選択することによって、最終製品の強度及び他の特性を維持するために好ましい速度で体積を減少させるべきである。

本明細書では様々な態様及び実施形態が開示されてきたが、他の態様及び実施形態も企図される。本明細書に開示された様々な態様及び実施形態は、説明のためのものであり、限定することを意図するものではない。

程度の用語（例えば、「約」、「実質的に」、「一般的に」等）は、構造的又は機能的にある程度の変化を示す。一例として、程度を示す用語が量を示す用語と共に含まれる場合、程度を示す用語は、量を示す用語の±１０％、±５％、又は＋２％を意味すると解釈される。一例として、程度の用語が形状の修正に用いられる場合、程度の用語は、程度の用語によって修飾される形状が開示される形状の外見的形状を有することを示す。例えば、程度の用語は、形状が、鋭い角の代わりに丸みを帯びた角を有すること、真っ直ぐな縁の代わりに湾曲した縁、そこから延びる１つ以上の突起、長方形であること、開示された形状と同じであること等を示すために使用されてもよい。

Claims (22)

1. 炭素発泡体を形成する方法であって、
   炭素原料を提供する工程と、
   炭素原料を溶媒に混合して混合物を形成する工程と、
   前記混合物を非酸化性大気内で大気圧で加熱して、炭素発泡体前駆体と抽出された揮発性物質を有する溶媒混合物とを生成する工程と、
   前記前駆体を大気圧で加熱して炭素発泡体を形成する工程と、
   を有する、方法。
2. 部分溶媒抽出をさらに有し、前記部分溶媒抽出は、前記炭素発泡体前駆体を容器に移すことと、前記容器内に配置された前記混合物を非酸化性大気内で中間温度にまで加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記炭素原料からの前記抽出された揮発性物質を前記溶媒から分離する工程と、前記抽出された揮発性物質を炭素材料にさらに処理する工程と、をさらに有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記炭素発泡体をか焼する工程をさらに有し、
   前記炭素発泡体をか焼する工程は、前記炭素発泡体を約８００℃から約１４００℃の温度にまで加熱する工程を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記炭素発泡体を黒鉛化する工程をさらに有し、
   前記炭素発泡体を黒鉛化する工程は、前記炭素発泡体を約２０００℃から約２６００℃の温度にまで加熱する工程を有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記炭素原料が、瀝青炭、亜瀝青炭、亜瀝青炭由来のピッチ、褐炭、褐炭由来のピッチ、コールタール、再利用グリーン発泡体、及びグリーンコークスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
7. 少なくとも１つの炭素原料を提供する工程が、前記炭素原料を約１ｃｍから約５０ｎｍの間の平均粒子サイズに粉砕する工程を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記炭素原料を粉砕する工程が、第１の平均粒子サイズと第２の平均粒子サイズを有する二峰性の粒子サイズを生じさせる工程を有し、前記第２の平均粒子サイズは前記第１の平均粒子サイズとは異なる、請求項７に記載の方法。
9. 前記炭素原料を粉砕する工程が、第１の炭素原料と第２の炭素原料を有する二峰性の粒子サイズを生じさせる工程を有し、前記第２の炭素原料は前記第１の炭素原料とは異なる平均粒子サイズを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記溶媒が、極性溶媒、非極性溶媒、有機溶媒、無機溶媒、超臨界溶媒、臨界溶媒、亜臨界溶媒、又はそれらの組み合わせを有する、請求項１に記載の方法。
11. 複合炭素発泡体を形成する方法であって、
    第１の炭素発泡体前駆体を炭素原料及び溶媒を含む混合物から生成する工程と、
    前記第１の炭素発泡体前駆体を粉砕して、少なくとも約５０ｎｍの平均粒子サイズを有する粒子にする工程と、
    炭素繊維又は炭素繊維トウを前記第１の炭素発泡体前駆体に加える工程と、
    前記第１の炭素発泡体前駆体と前記炭素繊維又は炭素繊維トウを大気圧で加熱して複合炭素発泡体を形成する工程と、
    を有する、方法。
12. 炭素繊維又は炭素繊維トウを前記第１の炭素発泡体前駆体に加える工程が、前記炭素繊維を前記炭素発泡体前駆体の表面を横切って引き上げる工程と、追加の炭素発泡体前駆体を加えて前記炭素繊維又は炭素繊維トウを前記複合炭素発泡体内に組み込む工程を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記追加の炭素発泡体前駆体が第２の炭素発泡体前駆体を有し、前記第２の炭素発泡体前駆体は前記第１の炭素発泡体前駆体とは異なる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記複合炭素発泡体をか焼する工程をさらに有し、前記複合炭素発泡体をか焼する工程は、前記複合炭素発泡体を約８００℃から約１４００℃の温度にまで加熱する工程を有する、請求項１１に記載の方法。
15. 前記複合炭素発泡体を黒鉛化する工程をさらに有し、前記複合炭素発泡体を黒鉛化する工程は、前記複合炭素発泡体を約２０００℃から約２６００℃の温度にまで加熱する工程を有する、請求項１１に記載の方法。
16. 前記第１の炭素発泡体前駆体は非酸化性大気内で加熱される、請求項１１に記載の方法。
17. グラフェン、グラフェン酸化物、又はグラファイト外層内に配置された炭素発泡体を備える複合炭素発泡体。
18. 前記グラフェン、グラフェン酸化物、又はグラファイト外層が、少なくとも約１０ｎｍの厚さを有する、請求項１７に記載の複合炭素発泡体。
19. 前記外層の特性が、外層除去プロセス環境内の材料のタイプによって制御される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記固体多孔質炭素発泡体内に組み込まれた炭素繊維又は炭素繊維トウをさらに有する、請求項１６に記載の複合炭素発泡体。
21. 前記保護コーティングが、前駆体を前記炭素発泡体に保持する容器の内表面に揮発性物質高含有成分を塗布すること、前記溶媒抽出工程の間に前記前駆体の前記揮発性成分を前記炭素発泡体に操作すること、又はそれらの組み合わせ、によって形成される、請求項１６に記載の複合炭素発泡体。
22. 前記複合炭素発泡体は、前記リガメント内に高度に配向された結晶子を有する、請求項１６に記載の複合炭素発泡体。
    
    

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