2013届应用化学专业毕业论文——文献综述毕业论文文献综述题目碳泡沫的组成与结构对泡孔性能的影响专业应用化学班级化091学号3090821006学生王玥指导教师石振海2013年碳泡沫的组成与结构对泡孔性能的影响1引言碳泡沫是一种以碳原子为骨架,碳原子之间相互连接形成多孔网络结构的轻质固体材料。依据前驱体和制备工艺的不同,这种新型的多孔功能材料既能制成低热导率（0.3W·m-1·K-1）的热绝缘材料,也能制成高热导率（150W·m-1·K-1）的导热材料[1]。碳泡沫是密度小、耐高温、抗热震、耐腐蚀、易加工、导热导电（导热导电性能可调）和热膨胀系数小等优良性能的多孔碳材料，被广泛应用于热管理材料、热防护材料、生物材料、隐身材料、复合材料工装、先进复合材料骨架、高性能电池电极材料、催化剂载体，以及轻质装甲材料等诸多技术领域[2]。近年来，人们对碳泡沫的研究热情与日俱增。在国外，对碳泡沫的研究已经很多，主要包括微观结构、机械性能及热性能的研究；国内近几年也开展了碳泡沫的研究工作，并取得了不错的成果，但主要以酚醛树脂、中间相沥青等为前驱体，对于煤基碳泡沫的研究报道还较少。2碳泡沫前驱体选用制备碳泡沫的方法很多，其制备过程主要包括发泡、氧化固定、碳化、石墨化等几个工序。根据原料的不同其法袍的方式各异，而以后几个过程大致相同。2.1中间相沥青中间相沥青是一种扁盘状的液晶相[3]，具有二维有序的特点，它有较高的碳产率，容易石墨化，在进一步的碳化石墨化过程中会很容易转化为片层的石墨化晶体结构，已经成为一种优良的制备高性能碳材料的前驱体[4]。中国科学院山西煤炭化学研究所郭全贵等[5]以中间相碳微球与中间相沥青为原料，制得了具有较高抗压强度的碳泡沫材料。2.2酚醛树脂酚醛树脂（PF）是由苯酚和甲醛在催化剂作用下经缩聚而得到的合成树脂，是世界上最早工业化生产的合成树脂品种。PF在碳化过程中残碳率高，因而可采用酚醛泡沫作为前驱体制备碳泡沫材料。以液态酚醛树脂为前驱体，正戊烷为发泡剂，吐温80为匀泡剂，在高压釜中通过卸压发泡的方法制备酚醛树脂泡沫，然后将其经1000℃碳化后得到碳泡沫。研究结果表明,所得的典型碳泡沫样品是一种以无定形碳结构为主的轻质多孔碳材料,密度约为0.15g·cm-3。碳泡沫的微结构可以通过调节卸压速率而得到有效控制,当卸压速率为0.05MPa·min-1时，可以得到孔洞相互贯穿、平均孔径约为300μm且分布较为均匀、接点完好，韧带光滑的多孔碳泡沫[6]。酚醛泡沫在氮气保护下，经高温处理后制得了以碳元素为主的碳泡沫。与酚醛泡沫相比，对应的碳泡沫的表观密度、泡孔孔径较小，压缩强度较高；泡孔仍以闭孔结构为主，但是开孔结构明显增多。酚醛泡沫及碳泡沫的压缩强度和热导率都随着泡沫密度的增加而增大，而且同密度的碳泡沫热导率相对较高。2.3聚芳基乙炔芳基乙炔是一类高度交联的芳香族化合物，分子中只含C、H两种元素，其分子结构示意图如图2.1所示[7]。芳基乙炔聚合体具有杰出的耐热性能和优良的工艺性能，在航空以及相关领域有着非常广阔的应用前景[8]。一方面，芳基乙炔聚合体在炭化过程中只逸出氢气等低分子量物质，不宜发生形变而容易控制产物结构；另一方面，芳基乙炔及其聚合物具有高残炭率的优点，这又能使得所得制品具有良好的机械性能。图2.1芳基乙炔常见的单体以芳基乙炔为前驱体，硫酸为催化剂，正戊烷发泡，以及添加一定的吐温80作为匀泡剂，通过发泡法制备了碳泡沫。所得碳泡沫密度约为0.60～1.20g·cm-3，孔径约200μm。通过控制合适的制备条件，可以制得孔洞分明、韧带和接点光滑等具有良好微结构的碳泡沫。芳基乙炔聚合物泡沫炭化后的高残炭率，以及样品中良好的孔结构赋予典型碳泡沫样品较高的机械强度；所得碳泡沫的典型样品的耐压强度达到25.8MPa，耐压强度/密度比为43.0MPa·cm-3·g-1。3酚醛树脂碳泡沫的制备3.1热分解法1964年，WalterFord[9]首先通过热分解热固性共聚物的方法得到了具有网络结构的玻璃态的碳泡沫（Reticulatedvilreouscarbonfoam．RVCF）。RVCF因其良好的绝缘性、吸附性、优良的热稳定性、极低的密度和很高的化学纯度、低的热膨胀系数、抗压性能优良，而且价格相对低廉，因此可作为催化剂载体、金属和气体的过滤器，在航空及相关工业中有着广泛的应用。此外，RVCF也可以应用化学气体沉积的方法制备含不同成分的碳泡沫，比如说在它的表面沉积难熔金属铌、钽、钨、铼等或者化合物如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等。此外，RVCF还可用于制备多孔电极、高温绝缘体、过滤器、蓄电池、建筑用的脚手架、声控材料等