在上一篇帖子“炭/铝复合导热材料：轻质、高导热、热膨胀系数可调”文中我们有提到“高导热泡沫碳通过中间相沥青加工而成，具有一定程度的各向异性，不同方向的热导率分布为40~180W/（m·K），密度为0.2~0.6g/cm3，这种泡沫结构的高导热来源于其高度石墨化的骨架结构，沿骨架壁结构的热导率可高达1800W/（m·K）以上，其特定泡沫结构可用于相变导热材料的高导热骨架。”当然，这仅仅是炭泡沫的应用案例的一个小部分，本篇帖子将与大家一起探索一下才华横溢的“炭泡沫”的制备方法及应用领域。

石墨泡沫的SEM图像&PCM/石墨泡沫复合材料的SEM图像

PCM相变材料；石蜡是相变材料的一种；石墨泡沫（泡沫碳）与石蜡复合相变热管理系统

炭泡沫是一种具有三维网状结构的多孔轻质炭材料，它除具有炭材料的常规性能外，还具有孔隙率、导热率、导电性、密度和抗压强度可调控的特点，炭泡沫的诸多优异性能，预示着其在热管理材料、电磁屏蔽与吸波材料、电极材料、气体吸附剂、催化剂载体和生物材料等领域巨大的应用前景。

POCO‑HTC™开孔石墨泡沫

为了降低炭泡沫制备成本并提高其性能，研究者尝试用不同前驱体制备炭泡沫，目前最常用的前驱体分为４类：有机聚合物、中间相沥青、煤和生物质。

1、以有机聚合物为前驱体制备炭泡沫

最早的泡沫炭是WalterFord在20世纪60年代初热解热固性酚醛泡沫而制得的，这种泡沫炭具有非常高的开孔率，孔壁呈非石墨化状态，导热率低，表现出优异的绝热性能，可用作高温绝热材料。通常，这种泡沫炭又被称作网状玻璃态泡沫炭(Reticulated，vitreous，carbon，foam，RVC)。Ford的工作问世后，人们尝试用多种有机聚合物作为制备原料合成泡沫炭。

网状玻璃碳泡沫（RVC）电极材料

利用有机高聚物为原料制得的泡沫炭大多为非石墨化泡沫炭，其导热系数低，主要用作耐高温的保温材料、电极材料和催化剂载体。

工艺路线1（发泡剂发泡法）：聚合物中加入发泡剂及其它添加剂，在高压下加热聚合物至熔化温度后，逐渐减小压力，在发泡剂逐渐挥发的同时留下空间，使聚合物体相形成泡沫结构，经过后续的高温炭化处理后得到刚性结构的泡沫炭。若前驱体树脂为热塑性树脂，在炭化前还需经过氧化、固化过程。而在实际应用中，有时为了提高树脂基炭泡沫的强度，即使是以热固性树脂为前驱体，也要在炭化前进行氧化处理。

发泡剂发泡法制备炭泡沫的工艺

工艺路线2（模板法）：以有机聚合物为碳源，采用模板法制备泡沫炭，能够较好地控制产物泡沫炭的结构和形貌，是近年来发展起来的一种新的泡沫炭制备方法。首先将有机聚合物与模板均匀混合，然后在高温下炭化，模板在高温下分解或用化学方法脱除。然而受到模板的限制又会出现局部闭孔影响其结构和性能。

2、以中间相沥青为前驱体制备炭泡沫

由于沥青为易石墨化原料，为改善泡沫炭的功能性，如导热、导电等性能，人们将制备原料的目光转向了沥青。但沥青的杂质含量高，组分的分子量分布范围宽，一般需要进行热缩聚、加氢和溶剂萃取等处理，以便富集合理的组分。研究表明，以中间相沥青为原料制备的泡沫炭可以形成高度有序的石墨化结构，因而具有良好的导热和导电性能。沥青中间相（mesophasepitch，简称MP）是一种由相对分子质量为370～2000的多种扁盘状稠环芳烃组成的混合物，又叫液晶相沥青。

1992年，美国空军院材料实验室Hager，等尝试用中间相沥青为前驱体通过造泡（Blowing）技术制备炭泡沫，即中间相沥青在高压下充分发泡，然后再经氧化预处理、炭化、石墨化等过程制得炭泡沫，该方法拓展了前驱体的来源，且沥青基炭泡沫经高温处理时，还会呈现出各向异性。近年来，有关原料沥青的调制和制备技术的改进已然成为该领域的热点。

研究表明，以中间相沥青为原料制备的泡沫炭可以形成高度有序的石墨化结构，因而具有良好的导热和导电性能。

拓展阅读（石墨导电原因见下文↓↓）：

白石墨六方氮化硼与石墨结构相似，为啥h-BN不导电？

产品示例：CFOAM官网（原文表述见上截图）对其石墨泡沫产品“CFOAM®35HTC”的描述：CFOAM®35HTC石墨泡沫是一种石墨化、轻质、高取向和开孔的碳泡沫，由中间相沥青原料生产。CFOAM®35HTC石墨泡沫具有与铜和铝相当的高导热性，并显着减轻了重量。除了高导热性外，CFOAM®35HTC还表现出高导电性、高强度和低热膨胀系数。CFOAM®35HTC还易于加工，化学惰性，无腐蚀，耐恶劣环境，抗氧化性高达400°C。我们以一定规模、成本和商业产出率制造和生产CFOAM®35HTC，以渗透已确定的市场，包括但不限于：①LED照明用热管理散热器，减轻重量，延长寿命；②用于商用军用飞机的轻型高效热交换器；③工业热交换器，用于增强单相或多相工业热交换器产品的热传递；④电子元件冷却；汽车应用，在更小、更轻的单元中提供增强的冷却；④太阳能提高光伏板效率。

3、以煤和煤系物为原料

为了降低炭泡沫的制备成本，1999年美国西弗吉尼亚大学的Stiller教授最早开发了用煤作前驱体制备炭泡沫的技术，通过３种不同的途径从煤中分离出沥青烯，并以其为原料制备各向同性炭泡沫、各向异性炭泡沫和各向异性可调的炭泡沫，至此，煤的预处理和发泡工艺优化成为煤基炭泡沫领域的主要研究内容。

案例：Rogers在沥青的软化点以上，将自由膨胀序数为3.5~5的煤与石油沥青或煤沥青按照质量比为1％~10％进行热混合制备炭泡沫。得到的炭泡沫的密度0.05~0.1gｇ/cm3，孔径小于500μｍ，抗压强度为13790~41370kPa，导热率为1.0W/（m·K）。

煤基泡沫炭具有前体成本低廉、来源广泛，制备工艺相对简便等优势，与其相关的研究工作不断深化。在未来的一个阶段，煤基泡沫炭有望成为泡沫炭研究领域中一个新的热点。

4、以生物质为原料制备炭泡沫

通过固化天然软木颗粒，再经炭化和石墨化而制得耐高温且绝缘的炭泡沫，该技术降低了生产成本，且开启了生物质制备炭泡沫的先河。近年来，以可再生的生物质为原料制备炭泡沫，已经成为炭泡沫制备领域的热点课题。

哈工大烤面包造出了碳泡沫材料性能优异

Molina-Sabio等将橄榄壳置于不锈钢反应器中，加压后引入水蒸气，在沙浴中加热得到泡沫炭：Tatsumi等以蔗糖为前体，采用硅泡沫为模板，通过改变蔗糖的浸渍量得到孔径不同的泡沫炭。ZhuangjunFan、以香蒲为炭源，经一步炭化活化法制得多孔炭泡沫，其中KOH作为活化剂能够促进生物聚合物的热分解，且有助于形成多孔系统。所制备的炭泡沫具有较高的比表面积和交联孔径结构。

 

小总结：

树脂基炭泡沫具有多孔、绝热、绝缘和强度较低的特性，因此主要作为功能材料而广泛应用于绝热隔热、过滤和催化剂载体等领域。

与树脂基炭泡沫相比，中间相沥青基炭泡沫不仅可以用作功能材料，也可以用作结构材料，因而在宇航、国防和商业等潜在市场具有异常广阔的应用前景，如作为结构材料，可用于飞机、轮船等的耐火门窗及取代刹车片中的炭纤维编织体；而作为功能材料，基于其导热特性可以用于卫星、航天飞机等飞行器的防太阳辐射热转移系统、普通化工厂的大型热交换器(尤其是酸碱腐蚀严重的场合特别适用)、计算机CPU的排热器件；基于其吸能吸波特性，可以用于火箭发射台面作为抗冲击和降低噪声材料或用于小型飞机、赛车、赛艇、轮船等快速运行机动工具的端部，使它们在突发的撞击事故中受到保护；而基于其多孔、绝热绝缘特性方面的应用与树脂基炭泡沫大体相同，另外还可以用作储能材料和生物材料等等。

炭材料拓展阅读：

1、材料系列科普9：同样是tan，“碳”与“炭”有何不同

2、各向同性石墨与各向异性石墨傻傻分不清

3、炭/铝复合导热材料：轻质、高导热、热膨胀系数可调

编辑：粉体圈Alpha

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