一種高導熱泡沫炭材料的製備方法

2023-08-01 04:48:06

專利名稱：：一種高導熱泡沫炭材料的製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種具有低密度、高導熱性能的泡沫炭材料的製備方法。
背景技術：
：中間相瀝青基泡沫炭是近幾年出現的炭材料家族中的一員，其獨特的性質已受到國內外研究者的重視，它是由中間的孔泡和其周圍規則排列的石墨結構所組成的孔泡相互連接的具有三維網狀結構的多孔輕質炭材料。由於中間相瀝青基泡沫炭具有質輕、耐高溫、耐腐蝕、抗熱振、熱膨脹係數小等其它材料所不可比擬的優良性能，尤其是各向同性的熱傳導性，使得它在許多領域都有較高的應用價值。如在熱交換器設備等領域中可以用高導熱泡沬炭材料來代替傳統的散熱器件提高其使用效率；用於PC微處理器將可能取消內置風扇，進一步減少計算機的體積，降低噪音；在電磁方面，泡沫炭由於具有導電性，所以可以防止電磁波的透過，而且其多孔結構產生的散射和吸收使內部的反射波減弱，是一種很好的電磁屏蔽和吸波材料，可用在電子儀表的內部，即可防止外來電磁波的進入，又使內部電磁波的相互幹擾降低；在航空航天、核工業以及軍工等領域，許多電子部件需要在406(TC的環境溫度下正錆工作，為此儀器運行過程中產生的熱量必須及時排出，目前採用的散熱器主要是鋁製材料，若採用高導熱泡沫炭材料，可實現裝置輕量化、結構緊湊化和運行高效化。因此，高導熱泡沫炭材料與高新技術密切相關，在現代工業、國防和高技術發展中具有重要的戰略意義。U.S.4795763和5397809報導了泡沫炭的製備方法，這種泡沬炭在製備過程中需加入發泡劑、催化劑和表面活性劑等原料，而其製得的產品難石墨化，強度低，導熱性能差。U.S.6033506和U.S.6398994公開了一種製備泡沫炭的方法，此方法需要加入發泡劑和在氧氣或空氣中進行不熔化處理，工藝複雜。Gaies.D等人(Carbon40,2002)採用CVI工藝對泡沫炭進行增密處理，製備的泡沬炭導熱係數為30-50w/m.k,此方法對設備的性能要求比較高。發明專利(200510027824)公開了在原料瀝青中添加粘土類添加劑(如蒙脫土)，以提高泡沬炭的力學性能。但因蒙脫土的加入而產生的熱阻隔作用使石墨化後泡沫炭的導熱性能也有一定的下降。
發明內容本發明的目的是提供一種高導熱係數泡沫炭材料的製備方法。該方法是將萘系中間相瀝青磨碎過篩，然後按不同重量百分比加入具有催化石墨化作用的慘雜粒子，摻雜粒子在分散劑的作用下經過液氮球磨並乾燥後，均勻的混合在中間相瀝青中，通過發泡、炭化、石墨化後製得了具有導熱性好的石墨泡沬炭材料。本發明製備高導熱泡沫炭可分為以下幾個步驟(1)將聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚甲基纖維素與蒸餾水以1克150ml-200ml的比例混合，攪拌4-IO小時，製得分散劑；(2)將中間相瀝青粉碎過80-100目篩，中間相瀝青中按中間相瀝青與摻雜粒子Ti的質量比為8097:320加入摻雜粒子Ti，經混合後加入分散劑中，球磨1-2小時，然後於100-12(TC烘乾1-2小時，得到摻雜後的中間相瀝青原料；.(3)將摻雜後的中間相瀝青原料，以氮氣作為保護氣，在2.0MPa-4.0MPa的壓力下，以0.5-3.5。C/min的升溫速率升溫至450-50CrC，恆溫2-3小時，自然冷卻至室溫，製得瀝青泡沫體；(4)將瀝青泡沫體在氮氣保護下，以1-2°C/min的升溫速率升溫至800-IOO(TC，恆溫1-2小時，然後自然冷卻至室溫，得到泡沬炭；(5)將製得的泡沫炭在氬氣的保護下，以10-5CTC/min升溫至2500-280(TC，恆溫10-20min，自然冷卻至室溫，得到石墨泡沬炭。如上所述的中間相瀝青是萘系中間相瀝青、石油系中間相瀝青或煤系中間相瀝青。本發明的摻雜粒子在基體中分布均勻，孔徑在300400ixm左右。本發明的優點和效果如下本發明通過在中間相瀝青中加入具有催化石墨化作用的粒子為原料，製備過程中不需要加入發泡劑，無需氧化穩定化處理，直接利用中間相瀝青在加熱的過程中釋放出輕組分氣體發泡，在一定的溫度下泡沫體固化成型製得泡沫炭，簡化了製備工藝流程，降低了成本。在中間相瀝青中加入摻雜粒子，加速了泡沬炭的石墨化過程，增大了石墨微晶尺寸。通過調整摻雜粒子在中間相瀝青中的質量百分比，使石墨泡沬炭的密度和導熱係數在0.290.37g/cm:i、3253w/m.k可調，為航空、航天等高
技術領域：
提供了一種質輕、導熱性能及力學性能好的炭材料。具體實施方式實施例1以萘系中間相瀝青為原料製備泡沫炭，所用中間相瀝青的軟化點為282°C，經研磨過100目篩以備用。將聚氧化乙烯與蒸餾水以1克150ml的比例混合，用磁力攪拌器攪拌10小時，以達到聚氧化乙烯充分溶解在蒸餾水中，製得分散劑。將中間相瀝青與Ti粉以質量百分比為95:5混合後倒入分散劑中，在液氮球磨機中球磨2小時，達到摻雜粒子均勻混合在中間相瀝青中，然後將混合後的物料在烘箱在於IO(TC恆溫2小時。稱取上述混合後的物料20克裝在不鏽鋼模具中，置於高壓釜內，在lMPa的壓力下反覆充放氮氣三次以排盡高壓釜中的空氣，開始程序升溫，以5。C/min升溫至30(TC，在達到中間相瀝青軟化點之前充入氮氣作為保護氣，然後加壓至2MPa，以0.5°C/min升溫至450°C，恆溫3小時，緩慢釋放壓力，自然冷卻至室溫。炭化過程是在炭化爐內，將模具從高壓釜中取出後放入炭化爐內，以rC/min程序化升溫至80(TC，恆溫120min，自然冷卻至室溫。隨後將炭化的樣品置於高溫石墨化爐內，以10。C/min的升溫速率，升溫至250CTC，在此溫度下恆溫10min,自然冷卻到室溫，製得石墨泡沫炭。禾擁掃描電鏡(SEM)、背散射電子能譜(BE)、X射線衍射儀(XRD)進行分析表徵，並進行泡沬炭密度、機械性能、導熱性能的測試。實施例1密度(g/cm3)導熱係數"/111上)抗壓強度(MPa)石墨泡沫炭0.31382.33實施例2以萘系中間相瀝青為原料製備泡沫炭，所用中間相瀝青的軟化點為282°C，經研磨過100目篩以備用。將聚氧化乙烯與蒸餾水以1克170ml的比例混合，用磁力攪拌器攪拌7小時，以達到聚氧化乙烯充分溶解在蒸餾水中，製得分散劑。將中間相瀝青與Ti粉以質量百分比為93:7混合後倒入分散劑中，在液氮球磨機中球磨1小時，達到摻雜粒子均勻混合在中間相瀝青中，然後將混合後的物料在烘箱在於12(TC恆溫1小時。稱取上述混合後的物料20克裝在不鏽鋼模具中，置於高壓釜內，在lMPa的壓力下反覆充放氮氣三次以排盡高壓釜中的空氣，開始程序升溫，以5。C/min升溫至30(TC，在達到中間相瀝青軟化點之前充入氮氣作為保護氣，然後加壓至2.5MPa，以rC/min升溫至47(TC，恆溫2小時，緩慢釋放壓力，自然冷卻至室溫。炭化過程是在炭化爐內，將模具從高壓釜中取出後放入炭化爐內，以2t/min程序化升溫至90(TC，恆溫60min，自然冷卻至室溫。隨後將炭化的樣品置於高溫石墨化爐內，以2CTC/min的升溫速率，升溫至2800°C，在此溫度下恆溫10min，自然冷卻到室溫，製得石墨泡沫炭。利用掃描電鏡(SEM)、背散射電子能譜(BE)、X射線衍射儀(XRD)進行分析表徵，並進行泡沫炭密度、機械性能、導熱性能的測試。實施例2密度(g/cm3)導熱係數(w/m.k)抗壓強度(MPa)石墨泡沬炭0.34462.53實施例3以萘系中間相瀝青為原料製備泡沫炭，所用中間相瀝青的軟化點為282°C，經研磨過100目篩以備用。將聚氧化乙烯與蒸餾水以1克200ml的比例混合，用磁力攪拌器攪拌4小時，以達到聚氧化乙烯充分溶解在蒸餾水中，製得分散劑。將中間相瀝青與Ti粉以質量百分比為89:ll混合後倒入分散劑中，在液氮球磨機中球磨1小時，達到摻雜粒子均勻混合在中間相瀝青中，然後將混合後的物料在烘箱在於12(TC恆溫1小時。稱取上述混合後的物料20克裝在不鏽鋼模具中，置於高壓釜內，在lMPa的壓力下反覆充放氮氣三次以排盡高壓釜中的空氣，開始程序升溫，以5tVmin升溫至30(TC，在達到中間相瀝青軟化點之前充入氮氣作為保護氣，然後加壓至3.0MPa，以l°C/min升溫至50CTC,恆溫2小時，緩慢釋放壓力，自然冷卻至室溫。炭化過程是在炭化爐內，將模具從高壓釜中取出後放入炭化爐內，以2tVmin程序化升溫至IOO(TC，恆溫60min，自然冷卻至室溫。隨後將炭化的樣品置於高溫石墨化爐內，以4(TC/min的升溫速率，升溫至280(TC，在此溫度下恆溫20min，自然冷卻到室溫，製得石墨泡沫炭。利用掃描電鏡(SEM)、背散射電子能譜(BE)、X射線衍射儀(XRD)進行分析表徵，並進行泡沬炭密度、機械性能、導熱性能的測試。實施例二密度(g/cm3)導熱係數(w/m.k)抗壓強度(MPa)石墨泡沬炭0.36532.71實施例4以煤系中間相瀝青為原料製備泡沫炭，所用中間相瀝青的軟化點為276°C，經研磨過100目篩以備用。將聚甲基纖維素與蒸餾水以1克200ml的比例混合，用磁力攪拌器攪拌4小時，以達到聚甲基纖維素充分溶解在蒸餾水中，製得分散劑。將中間相瀝青與Ti粉以質量百分比為85:15混合後倒入分散劑中，在液氮球磨機中球磨l小時，達到摻雜粒子均勻混合在中間相瀝青中，然後將混合後的物料在烘箱在於12(TC恆溫1小時。稱取上述混合後的物料20克裝在不鏽鋼模具中，置於高壓釜內，在lMPa的壓力下反覆充放氮氣三次以排盡高壓釜中的空氣，開始程序升溫，以5。C/niin升溫至30(TC，在達到中間相瀝青軟化點之前充入氮氣作為保護氣，然後加壓至4.0MPa，以3.5。C/min升溫至45(TC，恆溫3小時，緩慢釋放壓力，自然冷卻至室溫。炭化過程是在炭化爐內，將模具從高壓釜中取出後放入炭化爐內，以2'C/min程序化升溫至80(TC，恆溫120min，自然冷卻至室溫。隨後將炭化的樣品置於高溫石墨化爐內，以5(TC/min的升溫速率，升溫至280(TC，在此溫度下恆溫10min，自然冷卻到室溫，製得石墨泡沫炭。利用掃描電鏡(SEM)、背散射電子能譜(BE)、X射線衍射儀(XRD)進行分析表徵，並進行泡沫炭密度、機械性能、導熱性能的測試。tableseeoriginaldocumentpage8實施例5以石油系中間相瀝青為原料製備泡沬炭，所用中間相瀝青的軟化點為266°C，經研磨過100目篩以備用。將聚乙烯醇與蒸餾水以1克200ml的比例混合，用磁力攪拌器攪拌4小時，以達到聚乙烯醇充分溶解在蒸餾水中，製得分散劑。將中間相瀝青與Ti粉以質量百分比為80:20混合後倒入分散劑中，在液氮球磨機中球磨1小時，達到摻雜粒子均勻混合在中間相瀝青中，然後將混合後的物料在烘箱在於12(TC恆溫1小時。稱取上述混合後的物料20克裝在不鏽鋼模具中，置於高壓釜內，在lMPa的壓力下反覆充放氮氣三次以排盡高壓釜中的空氣，開始程序升溫，以5'C/min升溫至30(TC，在達到中間相瀝青軟化點之前充入氮氣作為保護氣，然後加壓至2.0MPa，以3.5°C/min升溫至45(TC，恆溫3小時，緩慢釋放壓力，自然冷卻至室溫。炭化過程是在炭化爐內，將模具從高壓釜中取出後放入炭化爐內，以2TVmin程序化升溫至80(TC，恆溫120min，自然冷卻至室溫。隨後將炭化的樣品置於高溫石墨化爐內，以5(TC/min的升溫速率，升溫至280(TC，在此溫度下恆溫10min,自然冷卻到室溫，製得石墨泡沫炭。利用掃描電鏡(SEM)、背散射電子能譜(BE)、X射線衍射儀(XRD)進行分析表徵，並進行泡沫炭密度、機械性能、導熱性能的測試。tableseeoriginaldocumentpage8權利要求1、一種高導熱泡沫炭材料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟(1)將聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚甲基纖維素與蒸餾水以1克∶150ml-200ml的比例混合，攪拌4-10小時，製得分散劑；(2)將中間相瀝青粉碎過80-100目篩，中間相瀝青中按中間相瀝青與摻雜粒子Ti的質量比為80～97∶3～20加入摻雜粒子Ti，經混合後加入分散劑中，球磨1-2小時，然後於100-120℃烘乾1-2小時，得到摻雜後的中間相瀝青原料；(3)將摻雜後的中間相瀝青原料，以氮氣作為保護氣，在2.0MPa-4.0MPa的壓力下，以0.5-3.5℃/min的升溫速率升溫至450-500℃，恆溫2-3小時，自然冷卻至室溫，製得瀝青泡沫體；(4)將瀝青泡沫體在氮氣保護下，以1-2℃/min的升溫速率升溫至800-1000℃，恆溫1-2小時，然後自然冷卻至室溫，得到泡沫炭；(5)將製得的泡沫炭在氬氣的保護下，以10-50℃/min升溫至2500-2800℃，恆溫10-20min，自然冷卻至室溫，得到石墨泡沫炭。全文摘要一種高導熱泡沫炭材料的製備方法是將聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚甲基纖維素與蒸餾水混合製得分散劑，中間相瀝青中加入摻雜粒子Ti，經混合後加入分散劑中，球磨，烘乾，得到摻雜後的中間相瀝青原料，以氮氣作為保護氣，在450-500℃，恆溫2-3小時，冷卻製得瀝青泡沫體，在氮氣保護下，在800-1000℃，恆溫1-2小時，冷卻至室溫，得到泡沫炭，在氬氣的保護下，升溫至2500-2800℃，恆溫10-20min，冷卻至室溫，得到石墨泡沫炭。本發明具有簡化了製備工藝流程，降低成本，製備的泡沫炭材料導熱係數高的優點。文檔編號C01B31/00GK101164875SQ200710163858公開日2008年4月23日申請日期2007年10月10日優先權日2007年10月10日發明者朗劉,史景利,燕宋,宋進仁,郭全貴,曦閆申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所