[发明专利]一种中间相沥青基泡沫碳的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于中间相沥青基泡沫碳材料的制备方法，具体地说涉及一种低温制备高导热石墨泡沫的方法。

背景技术

随着航空航天技术与电子技术的发展，使得电子设备趋向小型化、高度集成化，为保证高功率密度电子仪器设备和微型/小型集成功能系统的稳态运行，对其使用过程产生的热量强化导出，降低使用温度提出了更高的要求。美国橡树岭国家实验室采用发泡工艺，无需进行传统制备方法中的吹气发泡和预氧化处理，大大缩短了制备时间，降低了制备成本，有效地提高了石墨泡沫的导热率[成会明,刘敏,苏革等.泡沫碳概述.碳素技术,2000,3:30-32,和沈曾民,戈敏,迟伟东等.中间相沥青基碳泡沫体的制备、结构及性能.新型碳材料,2006,3:193-201]。通常情况下要制备出高导热中间相沥青基泡沫碳材料，通常需要在较高温度(不小于500℃)下进行制备，这使得材料的制备工艺条件苛刻，制备成本仍然较高，导致泡沫碳材料的推广使用存在一定的困难。

对于化学反应来说，碳材料的碳化过程是热引发的自由基聚合与裂解反应，该过程受自由基反应活化能限制，因此存在耗能高、费时、工艺复杂等缺陷。利用催化剂可以有效调节反应的活化能，特别是对于热解反应和缩合反应，采用催化剂进行催化热解碳氢化合物和缩合稠环芳烃化合物可以有效增加其反应速率和控制产物的微观结构，进而可以调控所制得材料的性能。对于制备纳米碳材料来说，利用CVD催化制备各种纳米碳材料是较为普通的手段，例如制备纳米碳管，纳米碳纤维等等，这种方法降低了碳氢键的活化能，有效地降低了制备特殊碳材料的反应温度，并结合工艺参数的改变达到控制材料的微观结构的目的。

在碳化过程中，热引发的聚合反应速率是较慢的，采用加入FeCl₃、AlCl₃或者HF/BF₃有效提高聚合的反应速率。因此，本专利通过加入特定的物质，可以有效降低碳化温度，提高碳化速率，进而可以有效降低制备中间相沥青基泡沫碳的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：现有技术中，制备高导热中间相沥青基泡沫碳材料，通常需要在较高温度(不小于500℃)下进行制备，这使得材料的制备工艺条件苛刻，制备成本仍然较高，导致泡沫碳材料的推广使用存在一定的困难。

为解决这一技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种低温制备中间相沥青基泡沫碳材料的工艺方法，主要以中间相沥青为主要原料，加入少量路易斯酸催化剂，通过改变加入催化剂的种类与量来实现催化碳化法制备高导热率的中间相沥青基泡沫碳材料。

制备方法为：将混有路易斯酸催化剂的中间相沥青置于高压釜中，在氮气气氛中，将混有路易斯酸催化剂的中间相沥青加热至380-420℃，待反应体系开始自动升温时，停止加热，任高压釜中反应自由进行，待反应结束，高压釜中反应物温度下降至常温时，出釜得到泡沫沥青制品；将得到的泡沫沥青制品依次进行碳化、石墨化操作，得到石墨泡沫材料，

本发明所采用的中间相沥青的软化点为210～330℃，中间相含量为60～100％。

上述制备方法的具体步骤为：

(1)将混有路易斯酸催化剂的中间相沥青置于高压釜中，在氮气压力为0.1～10MPa下，以0.1～10℃/min的升温速度将混有路易斯酸催化剂的中间相沥青加热至380-420℃，待反应体系开始自动升温时，停止加热，任体系温度自由升降，待反应结束后自然冷却，高压釜中反应物温度下降至常温时，出釜得到泡沫沥青制品，

该步骤中，中间相沥青为粒径≤0.154mm的颗粒状，

路易斯酸催化剂与中间相沥青混合时的质量比为0.01～0.5，路易斯酸催化剂的种类为FeCl₃、AlCl₃或者HF/BF₃等，当催化剂为FeCl₃或AlCl₃时，采用不锈钢材质的高压釜；当催化剂为HF/BF₃时，采用蒙乃尔材质的高压釜，

将混有路易斯酸催化剂的中间相沥青加热至380-420℃后，由于路易斯酸催化剂的存在，会首先引发中间相沥青中的聚合反应，聚合反应会放出大量的热(中间相沥青反应体系的温度快速自动上升到500-750℃甚至更高)，此时可以停止加热，也无需进行程序控温，便可实现对体系的发泡操作；

(2)将步骤(1)中得到的泡沫沥青制品置于碳化炉中，在氮气流下，以0.1～10℃/min的升温速度，加热到800℃～1500℃，并恒温2小时，自然冷却后出炉即得到碳化沥青泡沫体；