简介中间相沥青基炭泡沫

沥青基碳材料

本文来源：新型碳材料

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供稿：李凯  栾志强

1993年,在第21届国际炭双年度会议上,Hager等结合自己的一些前期研究工作通过模型分析预测了不同于以往的炭泡沫材料的韧带式网架结构的石墨化炭泡沫的存在。1998年,美国橡树岭国家实验室(ORNL)的炭材料研究人员JamesW.Klett在从沥青制备炭材料时偶然发现了一种石墨化多孔炭材料,并为此获得了《R&DMagazine》所评选的1999年度100个杰出贡献奖之一。

中间相沥青基炭泡沫性能

中间相沥青基炭泡沫不同于以往只能作为绝缘填料的有机聚合物基炭泡沫,它具有较高的机械强度,具备作为结构材料的基本要求。经过环氧树脂充填或者经过化学气相炭沉积处理以后,其压缩强度可以大幅度地提高(提高10倍左右)。对于密度界于0.4g/cm3和0.5g/cm3之间的中间相沥青基炭泡沫材料,可观测到的典型的机械性能包括:

压缩强度:15MPa～20MPa

压缩模量:550MPa

抗张强度:2MPa～7MPa

抗张模量:689MPa～1379MPa

剪切强度:2MPa

通过控制制备工艺,这种中间相沥青基炭泡沫既能制备成低热导率(1W/(m·K))的热绝缘材料,也能制备成高热导率(150W/(m·K))导热材料;它的电阻率可以在九个量级内变化(从超过1×107Ψ·cm到不足1×10-2Ψ·cm)。对于某些应用来说,是一种很好的吸波材料。电导率较高时,该材料是一种很好的电磁屏蔽材料。

经过“煅烧”的中间相沥青基炭泡沫能够抑制点燃,可以直接暴露在1650℃的乙炔火焰下。事实上,在惰性或空气稀薄条件下,可以耐直到3000℃以上的高温,然后升华。在有氧气出现的境况下,如果不进行氧化抑制处理,中间相沥青基炭泡沫可以耐到540℃的温度。其耐火性能概括如下:

不燃,甚至暴露在所有聚合物体系都已点燃的热通量条件下;

几乎没有烟;

不产生有毒副产物;

热释放效率和释放的总热量较低。

中间相沥青基炭泡沫可以发泡制成任何形状,其密度、孔径、热导率、电导率和结构性质可以根据不同的需要很容易调整。传统的机械加工作业能够用于生产形状复杂的泡沫材料。不同的中间相沥青基炭泡沫材料用酚醛或其他粘合剂可以很容易地粘成一体,还能与几乎任何复合体叠合,如:玻璃纤维/环氧树脂、炭纤维/环氧树脂和Kevlar/环氧树脂;与玻璃纤维,增强乙烯基树脂片材叠合;沉积铬镍铁合金(Inconel)和铝形成金属涂层,在此基础上,还可以通过铜焊(Brazingoperations)与金属结构进行焊接。

此外,中间相沥青基炭泡沫还具备一些应用工程师感兴趣的性质,包括吸着声能,尤其是苛刻环境如火箭发射台和喷气式发动机测试车间的低频声能等。

研究进展

中间相沥青基炭泡沫是以煤、煤沥青、石油沥青或合成沥青为原料,首先进行沥青调制制成中间相沥青,然后在高温、高压下对中间相沥青进行发泡,焦化、炭化和石墨化等步骤制备而成,经过充分石墨化的样品具有很好的结构性能。

该材料一经问世就受到美国政府、各科研机构和潜在用户的广泛关注,被认为可以引起新材料领域的革命。美国的研究人员正在对中间相沥青基炭泡沫进行评估,其应用前途目前已初见端倪。

应用前景

表1列出了中间相沥青基炭泡沫在宇航、国防和商业等潜在市场的异常广阔的应用前景。可以看出该材料在许多方面可以取代炭纤维基体,但其制备工艺较后者简单,并且一次成型,易于加工,没有炭纤维的编织工艺,降低了生产成本。更主要的是所制得的中间相沥青基炭泡沫的力学性能、热学性能和电学性能是相对各向同性的,而炭纤维织物只沿纤维方向才具备较好的力学、热学和电学性能,应用在很大程度上受到限制。目前,美国有关炭泡沫的相关研究和开发课题已经涉及到地球再进入系统、星载望远镜镜面基体、燃料电池、舰船甲板和船舱间的防火隔离板、士兵综合防护系统(高寒或高热环境下为士兵保暖或降温)、刹车片、吸波或电磁屏蔽材料、车辆散热和国家导弹防御体系中的热量转移和热保护系统等方面。