[发明专利]储能用填充型高导热泡沫碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及储能用填充型高导热泡沫碳材料的制备方法，属于无机功能材料技术领域。 

背景技术

由于具有优良的导热性能和丰富的开孔结构，高导热泡沫碳材料被认为是热管理系统最具应用潜力的高导热骨架材料。通常高导热泡沫碳材料由中间相沥青经发泡、碳化、石墨化等工艺过程获得，泡沫碳在高温处理过程中泡沫碳孔壁收缩，会产生局部孔壁的塌陷和孔壁裂纹，造成泡沫碳导热性能的下降和力学性能的下降。为了提高泡沫碳材料的导热性能和力学性能，文献中采用了泡沫碳孔壁增强法（主要方法有化学气相沉积碳层、重复填充沥青碳镀层、金属镀层法等）、前躯体改性法（添加鳞片石墨、添加中间相碳微球、添加氟化物等）等对泡沫碳进行力学增强和/或导热性能改善，但这些研究都没有针对相变储能用高导热泡沫碳进行必要的调整和改变，致使增强后泡沫碳结构变化，不利于孔隙中相变材料的填充，造成了能量存储效能的下降。以高导热泡沫碳填充相变材料形成的储能材料在飞行器的变速飞行过程中，会由于惯性的作用而致使相变材料在泡沫碳孔隙中的非期望定向流动，造成相变储能体工作效率的降低或短时失效。目前文献中提供的泡沫碳增强方法都不能解决这个问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种储能用填充型高导热泡沫碳材料的制备方法，通过采用孔隙中填充高比表面积碳气凝胶的方法，改善相变材料在泡沫碳中的填充均匀性和增强泡沫碳材料的导热性能及力学性能，同时提高相变储能材料在飞行器变速服役时的工作效能。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。 

采用中间相沥青进行发泡，获得泡沫碳生料或半碳化生料，然后制备碳气凝胶的前躯体胶，将溶胶浸渍进入泡沫碳生料或半碳化生料孔隙中，进行老化 形成凝胶，然后进行高温处理，形成碳气凝胶填充型高导热泡沫碳材料。具体步骤如下： 

1）泡沫碳生料制备：以中间相沥青为前躯体，将其放置在发泡容器中，然后在高温高压釜中发泡形成泡沫碳生料； 

所述的中间相沥青可以为萘系中间相沥青、煤系中间相沥青和石油系中间相沥青中的任一种或它们的混合物； 

发泡温度为SP+（150～300℃），其中SP为中间相沥青的软化点。为了促进泡沫碳孔隙的开放，可进一步升温至SP+（300～600℃），形成半碳化生料； 

2）碳气凝胶的前躯体的制备：以间苯二酚和甲醛以1∶（2±0.2）的摩尔比溶于溶剂中，得到溶液，然后在溶液中添加催化剂，然后密封于封闭容器中恒温水浴加热1-10h，形成碳气凝胶的前躯体； 

所述的溶剂为醇类物质或去离子水；所述的醇类物质为甲醇、乙醇或丙醇；溶剂与间苯二酚和甲醛的混合物的比例为100mL：（3～30g）； 

所述的催化剂为六次甲基四胺、碳酸钾、碳酸钠、盐酸或氨水；所述的催化剂的体积是溶液体积的0.1%~1%； 

3）有机气凝胶填充泡沫碳材料的制备：将步骤2）得到的碳气凝胶的前躯体在先真空后加压联合作用下浸渍进入步骤1）得到的泡沫碳生料或半碳化生料的孔隙中，于75～90℃水浴条件下老化直至形成有机气凝胶；将填充有机气凝胶的泡沫碳生料或半碳化生料周围的多余气凝胶去除，获得有机气凝胶填充的泡沫碳生料或半碳化生料； 

4）有机气凝胶的干燥：将步骤3）得到的有机气凝胶填充的泡沫碳生料或半碳化生料在常温常压下自然干燥直至恒重获得干气凝胶填充的泡沫碳生料或半碳化生料，或将步骤3）得到的有机气凝胶填充的泡沫碳生料或半碳化生料在超临界二氧化碳、乙醇、石油醚环境中干燥获得干气凝胶填充的泡沫碳生料或半碳化生料；干燥前可以用丙酮对气凝胶中的水、醇进行预置换，以提高干燥的效果； 

5）高温处理形成碳气凝胶填充型高导热泡沫碳：将步骤4）得到的干气凝胶填充的泡沫碳生料或半碳化生料在惰性气体保护下，按照0.5℃/min～5℃/min的升温速率升温至T1（T1在900℃～1500℃范围内），恒温0.5h～5h形成碳化 填充型泡沫碳材料，然后按照0.2℃/min～10℃/min的升温速率升温至T2（T2在2800℃～3000℃范围内），恒温0.5h～5h，获得碳气凝胶填充的高导热泡沫碳材料。 

为了提高泡沫碳孔隙中碳气凝胶的填充率，也可以对碳化填充型泡沫碳材料和最终获得的碳气凝胶填充的高导热泡沫碳材料进行用溶胶按照（3）、（4）和（5）过程进行1～2次，最终形成多次碳气凝胶填充的高导热泡沫碳材料。 

有益效果