碳质多孔材料的研究现状及进展李丹李嘉俊陕西省建筑科学研究院摘:要碳质多孔材料具有密度低、高导电和高导热、热膨胀系数小、抗冲击等诸多优点被广泛应用于隔热材料、热容材料、电极材料、催化剂载体和吸附材料等领域。本文阐述了碳质多孔材料及其改性方法的研究现状探讨了碳质多孔材料的发展趋势。关键词:碳材料;泡沫;改性;孔洞1引言碳材料兼有陶瓷和金属材料的特性且具有其独特的微观结是一种重要的结构材料和功能材料。碳材料主要研究集中墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨、碳质多孔材料等。在碳材料的成员中碳质多孔材料具有密度低、高导电和高导热、热膨胀系数小、抗冲击等诸多优点被广泛应用于隔热材料、热容材料、电极材料、催化剂载体和吸附材料等领域。但是碳质多孔材料由于其多孔结构的限制使得其力学性能不足。因此研究人员对碳质多孔材料进行改性处理从而优化其形貌、组分和微结构以达到推进其更广泛应用的目的。随着对碳多孔材料的不断深人其应用范围也必将越来越广泛这将给人类带巨大的经济和社会效益。2碳质多孔材料简介碳质多孔材料是一种以碳质材料为骨架碳材料之间互相而成的多孔结构的固体材料。其质量轻(密度一般为021留cm3一0809/cm3)。该材料中存在大量孔洞结构孔的尺寸分布在纳米至数百微米之间。碳质多孔材料最早是由有机高分子材料过热解得到随后开始用煤来代替有机前驱体来制备碳质多材料。当前对碳质多孔材料的研究主要集中在三个方面:其是对材料前驱体的选择前驱体主要集中在沥青中间相沥青以及树脂上。其二是对发泡方法的选择发泡的方法主要集中发泡法和添加剂发泡法。其三是碳质多孔材料的改理。3碳质多孔材料的改性碳质多孔材料改性的途径主要集中在三个研究方向。碳质多孔材料改性的第一条途径是添加碳质的微球由于碳质微球和碳质多孔材料具有相似的化学组分因而易于形成良好的界面结合。Li等在碳质多孔材料中引人中间相碳微球制得材料的压缩强度为237MaP。Zhlag等在碳质多孔材料中引人酚醛空心微球得到的材料的压缩强度超过10MaP热导率高达2185w,m一1·K一1。石等采用微胶囊法制备了酚醛微球合成了几尺寸分布在微米到纳米级的酚醛树脂空心微球。发现了以酚空心微球作为增强相的碳质多孔材料的密度为住5留c耐8SMaP。有国外研究学者发现将碳纤维引人碳质多材料体系中可以改善其拉伸强度和热性能。iL等研究发现多孔材料中引人错可促进碳质多孔材料的石墨化度并了碳质多孔材料的热导率。Zhlag等系统研究发现中空微对碳质多孔材料力学性能具有显著地影响。碳质泡沫料改性的第二条途径是添加增强相组分。Li等将将同样为碳料的碳纤维引人碳质多孔材料中研究发现改性后材料的力提高。碳质多孔材料改性的第三条途径是对碳质多孔材进行高温处理改性。美国的研究人员对碳质多孔材料进行高温的石墨化处理制备出了具有优异的化学惰性、耐高温性、低的热导率以及热膨胀系数的多孔材料。碳质多孔材料改性的第四条途径是表面处理优化碳泡沫的性能。国外研究人员采用等离子体喷涂的方法对碳质多孔材料进行表面处理结果发现该表面改性方法可以降低碳质多孔材料的表面活性。该方法可以提高碳质多孔材料的力学性能并延长碳泡沫在潮湿及恶略的环境条件下的服役寿命。4碳质泡沫材料的发展趋势碳质泡沫材料的研究仍然有诸多问题悬而未决今后对于碳质泡沫材料的研究认为应该重点加强以下几个方面。(l)研究提高碳质多孔材料的力学性能的策略和方法并建立相关的数学模型对其强度进行预测。z)(分析碳质多孔材料在不同服役环境下的失效演变机理采用无损检测技术研究碳质多孔材料的失效过程。(3)拓展碳质多孔材料在隔热领域的应用的关键仍然是其表面改性技术的进步需要结合表面改性、添加增强相和高温处理等方法促进碳质多孔材料改性技术的长足进步。’)(探索碳质多孔材料与其他材料的结合途径在发挥碳质多孔材料的功能性作用的基础上实现材料的结构功能一体化。)5(研究碳质多孔材料的孔隙机构和微孔尺寸的控制方法建立微孔尺寸和孔隙分布与材料的力学性能和热学性能的关联性数据库。参考文献:[l]目ettJwMeMillanADGallegoNCEefetsofheattreat-menteonditionsonthethermalpr叩etriesofmesospherepiteh一de-rivedgarphitiefoams[J]Carbon2040(8):1849一1852[2]JamesKlettaRommieHa司ybErnieRomineeHigh一ther-mal一eonduetivitymes叩hase一piteh一derivedeabronofams:eefetofpereursoronstruetureandporperties[J]Carbon2000(7):953一973[3]SizhongLiQuanguiGuoetalCabronFoamswithHighCompressiveStrengthDe五vedfromMesophasePitehTreatedbyTOI-ueneExtraetion[J]Carbon2007(14):2843一2854[4]ZhangLMaJporeessingandChaareterizationofSyntaetieCabronFoamsContainingHoll*CarbonMierospheers[J]Carbon2009(6):1451一1456[5]石振海李克智李贺军等闭孔碳微球泡沫材料制备工艺与性能研究[J]功能材料200512(36):1944一1950[6]WoutersonEMBoeyFYCWongSCetalNano一Tough-eningVesrusMieor一TougheningofPolymerSyntaetieFoams[J]Com-positesSeieneeandTeehnology2007(14):2924一2933[7]LiwQZhangHBXiongXetalEfeetofzireoniumaddi-tiononthemierosturetuerandperof二aneeofearbonofam[J]Mate五-alsSeieneeandEngineering:A2010(12):2993一2997[8]ZhangLMaJEefetofCouplingAgentonMeehaniealPr叩etriesofHollowCabronMierosphereP/henolieeRsinSyntaetieFoam[J]CompositesSeieneeandTeehnology2010(8):1265一1271[9]WanqianLiHongboZhangetalEfeetofZireoniumAddi-tionontheMieorstruetureandPe而rmaneeofCarbonFoam[J]Mate-五alsSeieneeandEnginee五ngA2010(12):2993一2997[10]Mukh叩adhy叮SMpulikolluRVRoyAKSurafeeModiif-eationofaMieroeellularPorouSSolid:CarbonFoam[J]AppliedSur-afeeSeienee2040(l):223一228构在石普遍观研究来连接经孔一在高压直接性处何醛树脂压缩强度为孔在碳质增加球的含量材材学性能料