[發明專利]一種高強度低雜質的泡沫碳材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202310198650.0
• 申請日: 2023-03-03
• 公開（公告）號: CN116143546A
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 李曉天;孫勇;楊浩;賈武林;李志保;魏益強
• 申請（專利權）人: 陜西美蘭德炭素有限責任公司;西安美蘭德新材料有限責任公司
• 主分類號: C04B38/10
• 分類號: C04B38/10;C04B35/83;C04B35/524;C04B35/622
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 全萬志

本申請涉及泡沫碳制備技術領域，具體公開了一種高強度低雜質的泡沫碳材料及其制備方法。泡沫碳材料包括以下原料：重量比為10:(2?3):(1?2)的酚醛樹脂、硅烷發泡劑和短切碳纖維，所述硅烷發泡劑的硅原子數為4?5，所述硅烷發泡劑的沸點為150?250℃；泡沫碳材料的制備方法包括以下步驟：將原料混合后先初步固化，再在180?250℃的溫度下發泡固化，冷卻后得到泡沫體，將泡沫體在甲烷氛圍進行化學氣相沉積，最后在2000?2100℃的溫度下高溫除雜，得到泡沫碳材料。本申請的泡沫碳材料具有優異的保溫和力學性能，且雜質含量低。

技術領域

本發明屬于泡沫碳制備技術領域，具體涉及的是一種高強度低雜質的泡沫碳材料及其制備方法。

背景技術

泡沫碳材料(foamcarbon)是一種由孔泡和相互連接的孔泡壁組成的具有三維網狀結構的輕質多孔碳材料，具有高孔隙率、高比表面積、低導熱系數、低密度和低熱膨脹系數等特性，在熱管理材料、電池電極、超級電容器、催化劑載體、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。

目前泡沫碳材料的制備方法，一般是以樹脂、發泡劑、偶聯劑以及泡沫穩定劑等為原料，在加熱條件下進行發泡、高溫碳化，最終制備得到泡沫碳材料。但是該類泡沫碳材料一般都存在強度低、雜質多、微觀泡孔易破裂等缺點。

發明內容

為了提高泡沫碳材料的強度并降低泡沫碳材料的雜質，本申請提供一種高強度低雜質的泡沫碳材料及其制備方法。

第一方面，本申請提供一種高強度低雜質的泡沫碳材料，采用如下的技術方案：一種高強度低雜質的泡沫碳材料，包括以下原料：酚醛樹脂、硅烷發泡劑和短切碳纖維，酚醛樹脂、硅烷發泡劑和短切碳纖維的重量比為10:(2-3):(1-2)；所述硅烷發泡劑的硅原子數為4-5，所述硅烷發泡劑的沸點為150-250℃。

在該方案中，本申請特殊選用硅烷類物質作為發泡劑，硅烷發泡劑和酚醛樹脂的相對用量、硅烷發泡劑的硅原子數以及沸點，都是本申請在做硅烷發泡劑篩選過程中需要考慮的因素；這些因素將直接影響發泡后得到泡沫碳材料的孔洞大小、孔洞均勻性以及泡沫碳的密度，進而影響泡沫碳材料的導熱系數和力學強度。此外，本申請中短切碳纖維的摻雜也進一步能夠提高該泡沫碳材料的力學性能。

通過采用上述技術方案，采用硅烷發泡劑對酚醛樹脂進行發泡的優勢在于：首先，采用硅原子數為4-5、沸點為150-250℃的硅烷發泡劑，這類硅烷發泡劑的發泡溫度相對適宜，在該發泡溫度下，發泡過程易于控制，酚醛樹脂不易因溫度過高出現爆聚的情況；此外，硅烷發泡劑的硅原子數為4-5時，具有較多的硅原子，該類硅烷發泡劑能夠和酚醛樹脂中的碳原子發生反應后得到碳化硅，以提高泡沫碳材料力學性能。因此使制得的泡沫碳材料具有孔洞相對細密且泡沫大小均勻的特點，以賦予泡沫碳材料優異的力學性能和保溫性能。

在該方案中，因沸點過高而不可取的硅烷發泡劑，例如：γ―(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(產品型號KH-560)，常壓下的沸點為290℃；例如3,4環氧環己基乙基三甲氧基硅烷(產品型號A-186)，常壓下的沸點為310℃。這類硅烷偶聯劑因沸點過高，若要實現本申請所需的發泡過程，則發泡溫度過高，在該高溫下易出現酚醛樹脂爆聚情況，導致難以制備得到泡沫碳材料。

可選的，所述硅烷發泡劑是不含氧元素的一類發泡劑。

使用含有氧元素的硅烷發泡劑時，在碳化階段，氧元素會和其他元素(例如碳和氫)結合后產生氣體，發生氣體逃逸，進而使得制備得到的泡沫碳材料產生裂紋，影響泡沫碳材料的保溫性能和力學性能。