[发明专利]高密度碳泡沫

说明书

发明领域

本发明涉及高密度多孔碳材料，尤其涉及高密度碳泡沫。

发明概述

本发明包括高密度碳泡沫材料及其生产方法。在有些实施方案中，用来制备高密度碳泡沫的方法涉及把粉碎的聚结烟煤加热到足以使煤粒软化并熔化在一起而形成基本均匀的连续开孔碳材料的高温。然后把该均匀的开孔碳材料在高温下保持一段时间，这段时间要足以充分降低或基本消除烟煤的塑性，以得到高密度碳泡沫。按照需要，可以把所得的高密度碳泡沫冷却到基本为环境温度或立即或随后加热到高达约3200℃的高温，然后冷却。

在有些实施方案中，本发明可包括生产高密度碳泡沫的方法，该方法包括下列步骤：把固体粒状聚结碳质原料加热到第一高温，其中第一高温足以使聚结碳质原料颗粒软化，至少部分熔化和互混形成基本均匀的非烧结开孔碳材料，并在高温下继续加热该碳材料一段时间，这段时间要足以使碳材料不再呈塑性或不再能变成塑性的，以得到高密度碳泡沫。按照需要，可以把所得高密度碳泡沫冷却到基本为环境温度或立即或随后加热到高达约3200℃的高温，然后冷却。

在有些实施方案中，本发明还可包括生产高密度碳泡沫的方法，该方法包括下列步骤：在容器内装进粉碎煤，以形成煤床，其中粉碎煤是聚结烟煤；用底面覆盖物覆盖容器底面，其中底面覆盖物位于煤床与容器底面之间。该方法也可包括下列步骤：用煤床覆盖物覆盖煤床；在煤床覆盖物上放刚性片材；用盖子盖上容器；加热该煤床到第一高温，其中第一高温足以使煤粒软化，至少部分熔化并互混而形成基本均匀的非烧结开孔碳材料；然后在高温下继续加热该碳材料一段时间，这段时间要足以使碳材料不再呈塑性或不再变成塑性的，以得到高密度碳泡沫。按照需要，可以把所得高密度碳泡沫冷却到基本为环境温度或立即或随后加热到高达约3200℃的高温，然后冷却。

更进一步，本发明可包括含连续的泡沫体部分的高密度碳泡沫，所述泡沫体部分包含限定空隙空间的互连泡壁，其中非烧结连续泡沫体的密度高于约0.8g/cm³。

此外，本发明还可包括含连续的泡沫体部分的高密度碳泡沫，所述泡沫体部分包含遍布整个体的限定空隙空间的互连泡壁，还包含大于约1％的灰分含量，其中非烧结连续泡沫体的密度高于约0.8g/cm³。

附图简述

图1是按照本发明的实施方案装有粉碎煤的容器的示意截面视图。

图2表示用来加热煤以生成实施例2的高密度碳泡沫的温度-时间曲线。

图3表示用来加热煤以生成实施例3的高密度碳泡沫的温度-时间曲线。

发明实施方案详述

高密度泡沫是如下这类泡沫：当加热到高于约700℃，更典型地，高于约950℃的温度，然后冷却到基本为环境温度时，其密度大于约0.8g/cm³，更典型地，大于1.0g/cm³。在有些实施方案中，密度可以为约0.8g/cm³～约2.0g/cm³。在另一些实施方案中，密度可以为约1.2g/cm³～约1.8g/cm³。在还有一些实施方案中，密度可以为约1.3g/cm³～约1.6g/cm³。对于肉眼，这类碳可能象无孔固体。但显微观察可证明，这类高密度碳泡沫具有一定程度的孔隙率。孔隙一般均匀地分布在泡沫内。高密度碳泡沫的孔隙提供泡沫内的空隙体积，孔隙大多彼此互连并与泡沫外部连通，因此形成可称之为“开孔”或“多孔”的结构。另一方面，无内部空隙体积或只有与材料外部不连通的空隙体积的材料可称为“闭孔”或“无孔”材料。

在有些实施方案中，在约90倍放大下的显微观察证明，本发明的碳泡沫并非简单地包含烧结粉末。也就是说，用来制备泡沫的绝大部分煤粒基本上不再是仅在相互接触区粘结在一起的单个颗粒，而已成为烧结材料。表观上，高密度碳泡沫的微观结构可能与低密度煤基碳泡沫和网状玻璃碳类似，但不等价。也就是说，高密度碳泡沫可以由厚且略弯曲的互连碳泡壁界定的确定而规则的空隙空间构成，它形成连续的开孔泡沫状致密碳体。一般地，高密度碳泡沫的空隙空间不具有大量的低密度煤基碳泡沫的明确球形空隙中常存在的那种宽弯曲壁。