泡沫炭技術(shù)的發(fā)展研究國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述21世紀(jì)是材料時(shí)代。隨著科學(xué)技術(shù)的提高，作為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基石，材料的面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對(duì)于傳統(tǒng)性能單一、結(jié)構(gòu)簡單的材料已經(jīng)難以滿足當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尋找新型的功能材料、結(jié)構(gòu)材料、甚至二者兼具的材料至關(guān)重要。作為新型碳素材料的泡沫炭，憑借著其獨(dú)特優(yōu)異的性能和結(jié)構(gòu)引起了人們對(duì)它的研究新潮。碳泡沫材料是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)和三維結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)、多孔、多功能材料。它具有許多傳統(tǒng)碳材料無法比擬的特點(diǎn)。如：多孔性、密度小、抗腐蝕性能好、強(qiáng)度高、吸附能力強(qiáng)、高溫?zé)岱€(wěn)定性好等特點(diǎn)，這些獨(dú)特的優(yōu)異性使得它們?cè)诤娇蘸教臁⒈馗魺岵牧?、催化劑載體、吸音材料、儲(chǔ)能電池、等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。并且它還可以與金屬、非金屬材料復(fù)合，制備出高性能的復(fù)合材料。隨著碳泡沫材料的發(fā)展，碳泡沫材料被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此碳泡沫的制備、結(jié)構(gòu)控制和性能研究具有非常高的理論價(jià)值和應(yīng)用意義。1.1泡沫炭的發(fā)展在上世紀(jì)60年代，最早報(bào)道的的泡沫炭被WltaerFordREF_Ref73745331\r\h[1]制得。它是由熱固性酚醛樹脂在高溫?zé)峤庀绿蓟瞥?，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳泡沫，碳泡沫的結(jié)構(gòu)不能石墨化。呈玻璃態(tài)，因此又被稱為網(wǎng)狀玻璃泡沫炭。由于其具有高的開孔率、熱穩(wěn)定性好、重量輕、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震和抗振動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在減震、熱絕緣、催化劑載體、廢氣廢水過濾等工業(yè)領(lǐng)域引起了極大的興趣。用化學(xué)氣相沉積法制備一些新的復(fù)合材料，來代替其余它復(fù)合材料，如難熔金屬材料和陶瓷復(fù)合材料。由于當(dāng)時(shí)原料的原因大多數(shù)的泡沫炭都采用樹脂類聚合物來制備。所制備的泡沫炭呈玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，無法進(jìn)行石墨化處理。雖然用樹脂類聚合物制得泡沫炭比較硬，但是也比較脆，因而要它作為結(jié)構(gòu)材料使用還不能滿足其要求。但它的導(dǎo)熱率非常低，在絕熱材料普遍使用，可利用它的孔隙作為吸收沖擊能量的材料。還可以用作催化劑的載體和氣體的過濾。1967年，為了控制結(jié)構(gòu)和性能，JohoMGooginREF_Ref73745354\r\h[2]加熱聚糠醇和聚氨酯泡沫的混合物，分解聚氨酯，在糠醇制造炭化制的泡沫炭。碳泡沫的密度非常低，可以加工成任何形狀，并且可以通過添加粉末石墨，金屬和非金屬來添加到前體中。經(jīng)2500℃熱處理后，可得到特殊的泡沫炭。隨著研究的不斷深入，人們?yōu)榱丝刂粕a(chǎn)成本，開始嘗試采用新的方法來制備泡沫炭。20世紀(jì)70年代，Klett等REF_Ref73745366\r\h[3]采用天然的多孔軟木作為前驅(qū)體來制備泡沫炭。在隨后的幾十年中，研究人員投入了大量精力用于玻璃碳泡沫的制備和性能改性。由于大多數(shù)人使用樹脂聚合物作為前體來制造碳泡沫，因此所得的碳泡沫具有平均強(qiáng)度，脆性和不能石墨化。為了解決不能作為結(jié)構(gòu)材料這一難題，研究者采用多種方法來解決這一難題，包括改變結(jié)構(gòu)，通過往泡沫體中添加增韌、增強(qiáng)劑，使用不同的原料作為前體，對(duì)工藝路線、參數(shù)等進(jìn)一步優(yōu)化處理。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了新一代的炭泡沫，這是采用前體的重大變化。人們開始使用瀝青和煤作為前體來代替樹脂來制備炭泡沫。美國實(shí)驗(yàn)室首先使用中間瀝青作為前體，在高壓下向泡沫中加入發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡，然后將泡沫氧化固定。經(jīng)過碳化和石墨化后，獲得了碳泡沫產(chǎn)品，并首次制備了以中間相瀝青為原料的石墨化碳泡沫。這種有序的結(jié)構(gòu)特性使泡沫炭具有極高的導(dǎo)熱性和優(yōu)異的機(jī)械性能。他們的工作目標(biāo)是開發(fā)一種具有高強(qiáng)度的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，該材料可以替代聚合物復(fù)合材料和蜂窩材料中預(yù)制的昂貴的3-D編織纖維。如StillerREF_Ref73745381\r\h[4]等以瀝青煤為原料得到了孔徑均勻的可石墨化泡沫炭。該工藝的出現(xiàn)能夠使泡沫炭的孔徑得到很好地調(diào)節(jié)，使泡沫炭石墨化后導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能都得到了有效的改善，此法的應(yīng)用前景十分廣闊。1998年，KleetREF_Ref73745559\r\h[5,REF_Ref73745560\r\h6,REF_Ref73745562\r\h7]等人是出了＂自揮發(fā)發(fā)泡法＂，中間相瀝青分解發(fā)泡后，通過炭化和石墨化制備炭泡沫(石墨)。該技術(shù)的出現(xiàn)使得人們?cè)谥苽浼夹g(shù)上出現(xiàn)的不足的得到了有效的改善，如將復(fù)雜的工藝簡化、減少成本、和制備時(shí)間。1.2泡沫炭的結(jié)構(gòu)與性能1.2.1泡沫炭的結(jié)構(gòu)泡沫炭由于前驅(qū)體材料選擇不同和與制備工藝差異，導(dǎo)致泡沫炭的結(jié)構(gòu)有明顯的不同。按微觀結(jié)構(gòu)可分為以下兩種:五邊形十二面體結(jié)構(gòu)和球形孔結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)圖如（b）（a）（b）球形氣孔結(jié)構(gòu)(a)五邊十二面體結(jié)構(gòu)圖1-1REF_Ref73745611\r\h[8]所示。五邊十二面體結(jié)構(gòu)主要是熱分解熱固性樹脂聚合物制備而成，由于碳形態(tài)呈玻璃碳，不能石墨化，機(jī)械性能較差，故又稱網(wǎng)狀玻璃質(zhì)泡沫炭。從圖a可以看出結(jié)構(gòu)柱狀棱柱和開孔組成，高開孔率使其具備優(yōu)良的絕熱性能，但由于玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不能進(jìn)行石墨化處理，使得機(jī)械性能較差，雖然有一定的硬度，但是脆性較大，沒有達(dá)到作為結(jié)構(gòu)材料的要求。泡沫碳的球形孔結(jié)構(gòu)最初是由中間瀝青制備的，其結(jié)構(gòu)是典型的球形網(wǎng)狀開口結(jié)構(gòu)。泡沫炭內(nèi)大多數(shù)氣泡孔為連通泡孔少部分空洞則被韌帶密封環(huán)繞。這種結(jié)構(gòu)的形成在氣泡生長過程中需要前體的高粘度，而當(dāng)粘度較低時(shí)，中間相會(huì)沿韌帶軸沿壓力方向排列REF_Ref73745595\r\h[9]。（b）（a）（b）球形氣孔結(jié)構(gòu)(a)五邊十二面體結(jié)構(gòu)圖1-1泡沫炭的結(jié)構(gòu)圖1-1泡沫炭的結(jié)構(gòu)1.2.2泡沫炭的性能泡沫炭在制備是選用何種材料作為前驅(qū)體，對(duì)它的結(jié)構(gòu)影響很大，也會(huì)使得泡沫炭的性能差別很大。泡沫炭在低密度下具有良好的力學(xué)性能，具有較高的比強(qiáng)度，在0.1g/cm3的密度下抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2ＧPaREF_Ref73745694\r\h[10]。表1-1比較了由聚合物制成的泡沫炭與其他泡沫材料的性能?？梢钥闯觯c其他兩種材料相比，碳泡沫具有較低的密度和較高的強(qiáng)度。中間相瀝青基泡沫炭具有較好的力學(xué)性能，壓縮強(qiáng)度10-30MPa，拉伸強(qiáng)度2-7MPa,剪切強(qiáng)度2-5MPa，并且經(jīng)過次CVI法或顆粒增強(qiáng)改性后REF_Ref73745581\r\h[11,REF_Ref73745583\r\h12]，可以使其力學(xué)性能進(jìn)一步提高表1-1泡沫炭同其他泡沫材料的性能比較材料名稱體積密度（g/cm3）抗壓強(qiáng)度（MPa）比強(qiáng)度MPa泡沫炭0.152.0013.2泡沫陶瓷0.240.481.98泡沫鋁0.221.557.261.3泡沫炭的制備最早獲得碳泡沫的方法是通過熱凝劑共聚物的泡沫熱分解獲得具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的玻碳泡沫。研究者和其他工作人員都在嘗試用不同的方法其中包括采用不同的原料如采用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、瀝青等，采用不同的工藝方法等來制備出孔徑均勻、結(jié)構(gòu)容易控制并且力學(xué)性能優(yōu)良的泡沫炭材料。制備方法主要有以下幾種：

1.3.1熱分解法熱分解法是通過熱固性共聚物泡沫的熱分解，得到以碳為骨架的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的玻碳泡沫。這也是最早制備泡沫炭的方法。此法是在酚醛樹脂中加入一定量的發(fā)泡劑和其他添加劑，攪拌混合均勻后將前驅(qū)體經(jīng)發(fā)泡、固化，然后以一定的升溫速率進(jìn)行炭化工作，在碳化過程中易分解的材料在加熱過程中熱分解，不易熱分解的材料在加熱過程中不發(fā)生變化，以保留為碳骨架，然后通過碳化而產(chǎn)生泡沫。熱分解的溫度取決于分解物質(zhì)的性質(zhì)和成品的性質(zhì)。OzakiREF_Ref73745719\r\h[13]等將酚醛樹脂和聚乙烯基丁醛混合后經(jīng)炭化制備出了炭纖維。他們提出了聚合物共混炭化熱解法的機(jī)理如圖1-2所示。圖1-2聚合物共混熱分解法制備泡沫炭1.3.2發(fā)泡劑發(fā)泡法此法REF_Ref73745745\r\h[14]通常用來制作酚醛樹脂基泡沫炭。在酚醛樹脂中加入一定量的發(fā)泡劑和其他添加劑，在高壓惰性氣體的保護(hù)下將樹脂加熱到軟化點(diǎn)以上的溫度。然后逐漸減小壓力，使發(fā)泡劑分解或者逐漸揮發(fā)，揮發(fā)后留下的空間形成泡孔結(jié)構(gòu)。最后，通過碳化獲得碳泡沫。可以通過改變發(fā)泡劑的類型和用量來控制碳泡沫的孔結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵是發(fā)泡劑的蒸發(fā)溫度是否與樹脂的固化溫度相匹配。蒸發(fā)過快容易造成孔徑不均勻和結(jié)構(gòu)不規(guī)則，從而導(dǎo)致性能不同。過慢的蒸發(fā)容易破壞固化后的孔隙結(jié)構(gòu)，引起碳泡沫開裂。工藝流程如圖1-3所示。圖1-3發(fā)泡劑發(fā)泡法制備泡沫炭1.3.3模板法模板法是利用模板來控制結(jié)構(gòu)的，多孔材料用作模板，富碳有機(jī)化合物為前體，將模板與前體混合，然后通過碳化將混合物浸漬以除去模板并獲得孔結(jié)構(gòu)。該方法獲得的泡沫炭的孔結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于模板的孔徑，因此模板的孔徑是模板制備碳泡沫的關(guān)鍵因素。上述方法生成的泡沫炭孔徑大小是可以控制的，在一定程度上，它可以解決孔徑不均勻的問題，并獲得被認(rèn)為相對(duì)理想的孔隙結(jié)構(gòu)和形態(tài)。得到了孔徑較均勻的泡沫炭。然而，模板法生產(chǎn)的碳泡沫存在強(qiáng)度低、成本高、操作復(fù)雜、工業(yè)生產(chǎn)困難等諸多問題，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中很少使用。模板法制備泡沫炭示意圖如圖1-4所示圖1-4模板法合成泡沫炭示意圖1.3.4其它方法除了使用上述方法外，其他研究人員REF_Ref73745763\r\h[15]嘗試通過首先加熱酚醛樹脂粉末來制備碳微球。再將炭微球與粘結(jié)劑混合均勻后再均勻分散的溶劑中，之后去除多余的溶劑與多余的粘結(jié)劑，經(jīng)過高溫炭化或石墨化，可制得低密度（0.3g/cm3）泡沫炭材料。采用該法制得的材料它的空間結(jié)構(gòu)組成由炭微球、粘合劑以及二者之間的空隙部分組成。隨著溫度的升高，材料的抗壓強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)溫度為2200-2300℃時(shí)，可達(dá)到5.3-5.9MPa。采用此法的關(guān)鍵是使用的粘合劑必須能夠?qū)⑻课⑶蝾w粒能夠彼此連成一串，并且微球之間不能粘合過密產(chǎn)生包覆現(xiàn)象。雖然用該方法制備的泡沫碳具有良好的機(jī)械性能和較高的比強(qiáng)度，但在實(shí)際生產(chǎn)中，泡沫碳的結(jié)構(gòu)不均勻，步驟過于復(fù)雜。1.4泡沫炭的應(yīng)用泡沫炭獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有較高的比強(qiáng)度、結(jié)晶度、良好的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性、耐腐蝕、抗氧化、隔熱性能好，可調(diào)控的多孔性和優(yōu)良的吸附性能以及較低的密度等特點(diǎn)，通過與金屬非金屬復(fù)合獲得性能較高的結(jié)構(gòu)材料，因而在熱控材料、過濾器、電極材料、燃料電池、儲(chǔ)能電池、保溫隔熱材料或吸波材料、氣體吸附劑、催化劑載體、汽車成化合物的模子、聲音控制器、賽車運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)員頭部降溫裝置、航空航天、微電子工業(yè)以及IT產(chǎn)業(yè)等方面有廣泛應(yīng)用前景。1.4.1熱控材料泡沫炭可以根據(jù)人們不同的需求制備成熱導(dǎo)率不同的熱材料。由于碳泡沫的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，這使得它在低密度下具有高導(dǎo)熱率，特別是石墨化碳泡沫材料具有高導(dǎo)熱率。當(dāng)石墨化碳泡沫材料的表面與熱接觸時(shí)，熱量將迅速傳播到整個(gè)碳泡沫塊中。這使周圍環(huán)境和導(dǎo)熱池的熱對(duì)流保持良好。正是這個(gè)特性，使得泡沫炭在熱控材料中廣泛應(yīng)用。為了克服傳統(tǒng)散熱元件由于金屬或無機(jī)非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比重的限制而導(dǎo)致的吸熱速率慢的缺點(diǎn)，采用碳泡沫材料制成的冷卻裝置可以有效地解決這一缺點(diǎn)。這一優(yōu)點(diǎn)可以使得泡沫炭應(yīng)用在航空航天飛機(jī)機(jī)身散熱材料上?？梢詫⑻寂菽尚螢橛糜诩呻娐分校渲须娐分械臒崃砍浞直┞兑詫?shí)現(xiàn)良好的冷卻。石墨化泡沫炭也可以用來制作ＲＦ爐的基座，普通窯爐的底座采用固體石墨包覆一層碳化硅涂層，但兩種材料之間的熱膨脹系數(shù)間隙較大，加熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的分層和散裂現(xiàn)象，導(dǎo)致底座出現(xiàn)裂紋和孔洞。而泡沫炭材料制成的基座，可以使用氣相沉積的方法在基座上涂覆一層金剛砂或其他金屬碳化物，由于碳泡沫獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)，這些涂層可以滲透到泡沫的孔中，填充孔結(jié)構(gòu)，從而使底座的加熱溫度可以保護(hù)底座免受氧化，從而提高底座的使用壽命?？捉Y(jié)構(gòu)的填充性能用于保護(hù)內(nèi)部碳免受氧化，從而提高基礎(chǔ)的使用壽命。1.4.2電極材料泡沫炭具有網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，可用作電極材料。如果化學(xué)活性物質(zhì)沉積在孔隙結(jié)構(gòu)中，也可以用作電池的電極。用這種方法制備的電極材料具有很強(qiáng)的耐腐蝕性和很高的耐腐蝕性。碳泡沫電極電池的高開口率增加了電池的比能量，減少了充電次數(shù)。換句話說，臨界能量可以比普通電池保持更長的時(shí)間，從而減少了腐蝕的可能性并延長了使用壽命。泡沫碳電極的密度為600kg/m3。與目前的石墨等脆性電極相比，泡沫碳電極具有更好的柔韌性和抗震性能，可用于汽車和一些振動(dòng)裝置。1.4.3能量吸收材料泡沫材料對(duì)聲音、振動(dòng)、沖擊等外部能量具有良好的吸收能力。例如，汽車、火車等阻尼材料能有效降低因車速變化引起的振動(dòng)和噪聲問題。當(dāng)在隧道或高架橋中使用時(shí)，隔聲屏障可將環(huán)境噪聲降低到20dB左右，并可減輕重量。作為保險(xiǎn)杠，夾層結(jié)構(gòu)泡沫鋁可有效緩沖碰撞，減少身體傷害，保護(hù)人身安全。在碰撞過程中，泡沫金屬專用寬屈服平臺(tái)能有效吸收沖擊屈服，從而保證安全，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。1.4.4其他應(yīng)用由于其良好的機(jī)械強(qiáng)度和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可以通過混合硅，鎢和其他金屬元素來制備碳泡沫以抵抗摩擦。采用泡沫炭作基體，通過CVD法或浸漬法還能得到一種耐磨的碳/碳復(fù)合材料，可從應(yīng)用于剎車片的制作。碳泡沫具有吸收休克的能力，可以用作降低噪音的材料，也可以用作賽車和船只等快速移動(dòng)的馬達(dá)工具的末端，以在碰撞時(shí)保護(hù)它們。傳統(tǒng)的過濾器通常采用活性炭作為過濾材料。但該裝置內(nèi)部的活性炭過濾容器存在灰分過多、顆粒易碎、不耐用、設(shè)計(jì)復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)，容易導(dǎo)致設(shè)備使用不便、成本高、耗時(shí)長。由于碳泡沫具有高比表面積，高強(qiáng)度和大孔隙率，因此易于清潔和重復(fù)使用，從而大大提高了過濾效率。也可廣泛應(yīng)用于車輛等設(shè)備的空氣凈化裝置。1.5酚醛樹脂基泡沫炭的研究進(jìn)展1872年，德國化學(xué)家拜爾在實(shí)驗(yàn)室制備了樹脂，酚醛樹脂，這是人類合成的第一種樹脂，是由苯酚和甲醛在催化劑作用下縮聚制備的REF_Ref73745787\r\h[16]。二十世紀(jì)初，就有科學(xué)家對(duì)樹脂有了更加深入的研究，研究了它的脆性，并且進(jìn)行了商業(yè)化生產(chǎn)。使用化學(xué)發(fā)泡法制備的酚醛樹脂泡沫炭有諸多優(yōu)異的性能，如具有絕熱、吸聲、耐腐蝕、阻燃等性能。由于有著優(yōu)良的性能，酚醛樹脂泡沫炭材料成為了新一代的保溫隔熱防火材料，它第一次被西方國家的軍事重視和使用。它被用于導(dǎo)彈和火箭頭的隔熱，然后被廣泛用于航空航天，石油和其他嚴(yán)格要求防火的地方。并且在公共設(shè)施材料、電子裝封材料等領(lǐng)域推廣使用。目前，雖然對(duì)于酚醛樹脂泡沫炭材料在保溫隔熱材料領(lǐng)域報(bào)道很多，但是對(duì)于它的性能的研究卻又很少，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)酚醛樹脂是由熱固性樹脂制成的。盡管由這種材料制備的泡沫的密度和熱導(dǎo)率非常低，但它們通常具有孔徑不均勻和孔結(jié)構(gòu)難以調(diào)整的缺點(diǎn)。而且，制備高強(qiáng)度泡沫的要求對(duì)工藝條件和設(shè)備過于嚴(yán)格。此外，關(guān)于酚醛樹脂基泡沫碳的孔結(jié)構(gòu)控制的研究較少，對(duì)其形成機(jī)理也較少了解，因此難以有效控制孔結(jié)構(gòu)和密度。1.5.1泡沫炭的前驅(qū)體酚醛樹脂基泡沫碳前體的制備根據(jù)原料的不同可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。熱固性樹脂也稱為酚醛樹脂。一般是由甲醛和苯酚在堿性條件下縮聚而成，含有大量羥甲基活性基團(tuán)，可在低溫加熱或酸性條件下交聯(lián)固化REF_Ref73745813\r\h[17]。另一種稱為線性酚醛樹脂，或熱塑性酚醛樹脂，由過量的苯酚和甲醛在酸性條件下制備而成，只能通過加入固化劑進(jìn)一步反應(yīng)，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)的固化樹脂REF_Ref73745970\r\h[18]。通過熱固性樹脂制備酚醛泡沫通常需要添加5-15%發(fā)泡劑和2-5%表面活性劑和其他添加劑REF_Ref73745840\r\h[19-REF_Ref73745842\r\h20]。雖然熱固性樹脂制備的碳泡沫前體可以具有較小的平均孔徑REF_Ref73745856\r\h[21]，但是孔徑均勻程度很差REF_Ref73745863\r\h[22]，且孔結(jié)構(gòu)難以得到有效控制。酚醛泡沫由熱塑性酚醛樹脂制成，泡沫的密度易于控制。但是，目前的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，設(shè)備大，能耗大。效率低。應(yīng)用較少。1.5.2孔結(jié)構(gòu)的形成泡沫中的孔結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于熔融樹脂發(fā)泡過程中發(fā)泡速率和固化速率之間的協(xié)同作用和匹配REF_Ref73745876\r\h[23]。只有當(dāng)發(fā)泡溫度接近固化溫度且發(fā)泡速率與固化速率相協(xié)調(diào)時(shí)，才能制備孔徑小、分布均勻的碳發(fā)泡前體。如果發(fā)泡溫度太低，泡沫體的孔結(jié)構(gòu)會(huì)變形，韌帶會(huì)因凝固緩慢而扭曲。如果發(fā)泡速度太慢，則孔徑分布會(huì)變窄，但平均孔徑會(huì)增加。如果發(fā)泡速度過快，則會(huì)增加孔徑聚集和合并的可能性，并且孔徑分布會(huì)擴(kuò)大。泡沫形成分為三個(gè)過程REF_Ref73745889\r\h[24]:1)氣泡的形成，2)氣泡的穩(wěn)定和3)氣泡的固化。下將詳細(xì)介紹這三個(gè)過程。氣泡的形成當(dāng)溶液系統(tǒng)加熱到發(fā)泡劑的沸點(diǎn)或小分子的熱解溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量氣體，這些氣體在液相樹脂中迅速達(dá)到飽和。此時(shí)，由于外部壓力和溶液表面張力的結(jié)合作用，大多數(shù)氣體無法逸出，并像原始微氣泡一樣被約束在溶液中形成微小的氣泡核。隨著外部溫度的升高，氣體擴(kuò)散增加，液相中產(chǎn)生的氣體量增加。當(dāng)兩個(gè)大小不同的氣泡彼此接近時(shí)，氣泡擴(kuò)散并合并，使氣泡體積逐漸增加。氣泡核的形成對(duì)最終的孔隙結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有很大的影響。如果在發(fā)泡開始時(shí)可以產(chǎn)生大量均勻分布的氣泡芯，則將有利于獲得緊湊排列的小而均勻的氣泡孔。因此，在泡沫制備過程中經(jīng)常會(huì)添加一些表面活性劑，以降低表面張力，改善發(fā)泡劑與樹脂溶液的相容性。各種反應(yīng)可以以更平衡的方式進(jìn)行，從而獲得具有細(xì)多孔結(jié)構(gòu)的高性能泡沫。氣泡的穩(wěn)定泡沫的孔隙結(jié)構(gòu)基本形成并膨脹到一定程度時(shí)，它就進(jìn)入了氣泡的穩(wěn)定階段。由于氣液兩相共存系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，氣泡的穩(wěn)定階段對(duì)于生產(chǎn)具有規(guī)則緊湊的孔結(jié)構(gòu)和均勻孔徑的泡沫至關(guān)重要。當(dāng)氣泡膨脹非常緩慢時(shí)，它在外部壓力，重力，溶液表面張力和內(nèi)部氣體的反向壓力下達(dá)到內(nèi)部和外部壓力的平衡[29]。它們中的任何一個(gè)都會(huì)改變。會(huì)破壞氣泡內(nèi)外的壓力來平衡，使氣泡形狀發(fā)生變化，并達(dá)到新的平衡。如果增加外部壓力，氣泡內(nèi)部的壓力將增加，以達(dá)到新的平衡。由于內(nèi)部壓力與其半徑成反比，因此氣泡孔徑將減小。因此，可以通過影響氣泡穩(wěn)定過程中外部壓力，內(nèi)部壓力和溶液張力的變化趨勢來調(diào)節(jié)孔隙結(jié)構(gòu)。泡沫體的固化加熱到固化溫度后，樹脂開始凝結(jié)固化，溶液的粘度逐漸增加，流動(dòng)性逐漸降低，最終形成交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于這一階段形成致密的孔隙結(jié)構(gòu)，樹脂液體被擠壓在孔隙之間的狹窄區(qū)域，固化后形成泡沫體的韌帶和連接節(jié)點(diǎn)。泡沫體的固化速率對(duì)泡沫炭的最終結(jié)構(gòu)有著較大影響。固化速率過快會(huì)造成由于不完全，泡沫體平均孔徑減小，密度増加。此時(shí)，作為發(fā)泡劑，泡沫體中殘留大量氣體，會(huì)破壞固化的氣泡孔隙結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致材料的缺陷和裂紋。固化速度太慢，由于汽液共存時(shí)氣泡不穩(wěn)定，沒有足夠的揮發(fā)性氣體產(chǎn)生，不能長時(shí)間保持氣泡的形狀，從而導(dǎo)致凝固的氣泡孔變形甚至坍塌，影響最終碳泡沫材料的性能。嚴(yán)格來說，泡沫形成過程的三個(gè)階段之間沒有明顯的界限。在較高的發(fā)泡溫度下，新氣泡的形成仍然存在。樹脂的緩慢固化也發(fā)生在較低的發(fā)泡溫度下，這使得精確控制泡沫的孔結(jié)構(gòu)極為困難。參考文獻(xiàn)FordW.Methodofmakingcellularrefractorythermalinsulatingmaterial[P].USPatent,31211050.1964.GooginJM,NapierJM,ScrivnerME.Methodformanufacturingfoamcarbonproducts[P].USPatent,3345440,1967.黃志雄，彭永利，泰巖，等.熱固性樹脂復(fù)合材料及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006:73-74.StillerAH,StansberryPG,ZondloJW,Methodofmakingacarbonfoammaterialandresultantproduct[P].USPatent,5888469,1999.KlettJ,HardyR,RomineE,etal.High-thermal-conductivity,mesophase-pitch-derivedcarbonfoams:effectofprecursoronstructureandproperties[J].Carbon,2000,38(7):953-973.KlettJ.Highthermalconductivitymesophasepitch-dervedgraphiticfoams[J].ComposiyesinManufacturing,1999,14（4）：1-5.KlettJW,McMillanAD,GallegoNC,etal.Effectsofheattreatmentconditionsonthethermalpropertiesofmesophasepitch-derivedgraphiticfoams[J].Carbon,2004,42(8):1849-1852.KlettJW,McMillanADGallegoNc,etal.Theroleofstructureonthethemalpropertiesofgraphiticfoams[J].Journalofmaterialsscinence,2004,39(11):3659-3676陳然.酚醛樹脂基泡沫炭的制備及其結(jié)構(gòu)控制[D].華東理工大學(xué)，2015.SongC,PanW.Tri-reformingofmethane:anovelconceptforc