[发明专利]多孔碳组合物

说明书

技术领域

本发明涉及多孔碳组合物和制造所述多孔碳组合物的方法。

背景技术

热管理是电子工业的关键问题。超过百分之55(％)的电子产品失效是由于与温度相关的问题。部件的温度降低10℃可使产品寿命加倍。当今用于热管理的普遍使用的材料是金属，例如铝和铜，但是当利用所述现有技术的材料时仍有一些未满足的需求，例如(1)更好的散热(更快和有效)、(2)较低的热应力(CTE匹配)、(3)较小的重量和体积、和(4)较低的成本。最近，多孔碳组合物已经用于电子工业的材料，但是已知的多孔碳组合物需要复杂的制造工艺，使得已知的多孔碳组合物不是经济可行的。

许多早期的参考文献描述了制造聚合泡沫并随后碳化所述聚合泡沫。然而，公众日渐关注中间相和沥青以期从热处理产生具有高度石墨类型的碳的更好的碳质量。本领域中没有公开使用低粘度环氧树脂碳前体来制造碳泡沫。

碳泡沫最初通过碳化酚醛泡沫(美国专利No.3,121,050和3,342,555)、和通过碳化与形成聚氨酯泡沫的化学品部分聚合的糠醇(美国专利No.3,345,440)而产生。根据Chen等，Carbon，44卷，8期，2006年7月，1535–1543页，上述已知的泡沫具有均匀的孔度和适中的机械强度。然而，根据Prieto等，Carbon，50卷，5期，2012年4月，1904–1912页，这些已知泡沫的主要缺点是所述碳材料的不可石墨化性质。

在上世纪九十年代期间，出现了从别的热塑性可石墨化前体例如石油衍生的、煤炭衍生的和中间相沥青制造的一代碳泡沫。从那以后，由于中间相沥青焦产率高、软化点低和流动性高的吸引人的性质，所述中间相沥青广泛地用作高性能碳材料的适当前体。

传统的泡沫形成方法利用发泡技术，或压力释放，以从所述中间相沥青产生泡沫。这些制造技术，虽然普遍用于工业中，但具有许多缺点。例如，没有完美控制最终的泡沫产物中产生的孔的体积分数；此外，难以、或甚至不可能管理孔的形状和分布。其他的困难在于因为中间相沥青在超过它的软化点时不是尺寸稳定的，因此在所述中间相沥青可碳化之前需要稳定化处理。否则，来自于中间相沥青的泡沫结构在以后的热处理期间因溶胀或软化而发生损失。所述稳定化处理，或者称为热固化或不熔化性处理，包括在低流速的空气流中在低温(例如170℃)下热处理若干小时。

上述的Chen等已经通过用低成本煤炭、煤炭N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂提取物、石油沥青、煤焦油沥青、和氢化煤炭溶剂提取物(煤炭基合成沥青)替代芳族中间相树脂，成功地消除了所述稳定化步骤。然而，煤炭和石油衍生的沥青在可实现发泡之前需要处理。另一方面，所述中间相AR沥青可用于制备可在没有预处理的情况下直接发泡的发泡前体。这些未处理的前体的主要问题是它们的塑性性质通常不满足发泡要求。所述预处理主要包括通过热处理聚合/缩合沥青。

美国专利No.6,500,401公开了通过模板方法产生的多孔碳组合物，所述方法包括制备可热解的材料和不可热解的材料的混合物并在热解之后除去所述不可热解的材料。可热解的材料定义为有机化合物例如糖或纤维素，而所述不可热解的材料定义为无机材料例如盐。在除去所述不可热解的材料之后，得到碳泡沫。

美国专利No.6,261,485公开了具有比较均匀的孔结构并在棱中具有高度对齐的石墨平面的多孔碳组合物。这种泡沫目标在于制造用于热和结构应用的高温夹层板。

美国专利No.6,241,957公开了低成本多孔碳组合物和从煤炭提取物制造所述多孔碳组合物的方法。这些从煤炭提取物产生的泡沫的目标是各种商业航空航天和军事应用。

美国专利No.6,217,800公开了从再循环的石墨制备的柔性石墨多孔碳组合材料。

其他已知的多孔碳组合物包括例如通过化学蒸气渗透产生的高强度多孔碳组合物，例如可从Entegris商购的和可从Honeywell商购的低温沥青基多孔碳组合物。所述沥青基多孔碳组合物通过混合350℃时熔化的中间相和低分子量溶剂而产生。然而，以上现有技术描述的所有已知多孔碳组合物都具有以下的缺点或问题

(1)大多数煤炭和石油衍生的沥青在可实现发泡之前需要处理；并且预处理主要包括通过热处理来聚合/缩合沥青；和

(2)中间相沥青需要稳定化处理，否则在以后的热处理期间，泡沫结构将因溶胀或软化而发生损失。

通过固化所述液态碳前体而如此产生的热固材料的软化温度高于碳化温度。作为固化的聚合环氧树脂的碳泡沫坯不需要另外的处理步骤来承受所述碳化的热处理。