專利名稱：高密度碳泡沫的制作方法
高密度碳泡沫 發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及高密度多孔碳材料，尤其涉及高密度碳泡沫。
發(fā)明概述
本發(fā)明包括高密度碳泡沫材料及其生產(chǎn)方法。在有些實施方案中， 用來制備高密度碳泡沫的方法涉及把粉碎的聚結(jié)煙煤加熱到足以使煤 粒軟化并熔化在一起而形成基本均勻的連續(xù)開孔碳材料的高溫。然后把 該均勻的開孔碳材料在高溫下保持一段時間，這段時間要足以充分降低 或基本消除煙煤的塑性，以得到高密度碳泡沫。按照需要，可以把所得 的高密度碳泡沫冷卻到基本為環(huán)境溫度或立即或隨后加熱到高達約
320(TC的高溫，然后冷卻。
在有些實施方案中，本發(fā)明可包括生產(chǎn)高密度碳泡沫的方法，該方 法包括下列步驟把固體粒狀聚結(jié)碳質(zhì)原料加熱到第一高溫，其中第一 高溫足以使聚結(jié)碳質(zhì)原料顆粒軟化，至少部分熔化和互混形成基本均勻 的非燒結(jié)開孔碳材料，并在高溫下繼續(xù)加熱該碳材料一段時間，這段時 間要足以使碳材料不再呈塑性或不再能變成塑性的，以得到高密度碳泡 沫。按照需要，可以把所得高密度碳泡沫冷卻到基本為環(huán)境溫度或立即 或隨后加熱到高達約320(TC的高溫，然后冷卻。
在有些實施方案中，本發(fā)明還可包括生產(chǎn)高密度碳泡沫的方法，該 方法包括下列步驟在容器內(nèi)裝進粉碎煤，以形成煤床，其中粉碎煤是 聚結(jié)煙煤；用底面覆蓋物覆蓋容器底面，其中底面覆蓋物位于煤床與容 器底面之間。該方法也可包括下列步驟用煤床覆蓋物覆蓋煤床；在煤 床覆蓋物上放剛性片材；用蓋子蓋上容器；加熱該煤床到第一高溫，其 中第 一 高溫足以使煤粒軟化，至少部分熔化并互混而形成基本均勻的非 燒結(jié)開孔碳材料；然后在高溫下繼續(xù)加熱該碳材料一段時間，這段時間 要足以使碳材料不再呈塑性或不再變成塑性的，以得到高密度碳泡沫。 按照需要，可以把所得高密度碳泡沫冷卻到基本為環(huán)境溫度或立即或隨 后加熱到高達約3200。C的高溫，然后冷卻。
更進一步，本發(fā)明可包括含連續(xù)的泡沫體部分的高密度碳泡沫，所
述泡沫體部分包含限定空隙空間的互連泡壁，其中非燒結(jié)連續(xù)泡沫體的
密度高于約0.8g/cm3。
此外，本發(fā)明還可包括含連續(xù)的泡沫體部分的高密度碳泡沫，所述 泡沫體部分包含遍布整個體的限定空隙空間的互連泡壁，還包含大于約
1%的灰分含量，其中非燒結(jié)連續(xù)泡沫體的密度高于約0.8g/cm3。
附圖簡述


圖1是按照本發(fā)明的實施方案裝有粉碎煤的容器的示意截面視圖。 圖2表示用來加熱煤以生成實施例2的高密度碳泡沫的溫度-時間曲線。
圖3表示用來加熱煤以生成實施例3的高密度碳泡沫的溫度-時間曲線。
發(fā)明實施方案詳述
高密度泡沫是如下這類泡沫當(dāng)加熱到高于約700°C,更典型地， 高于約950。C的溫度，然后冷卻到基本為環(huán)境溫度時，其密度大于約0.8 g/cm 更典型地，大于1.0g/cm3。在有些實施方案中，密度可以為約0.8 g/cm3 約2.0 g/cm3。在另一些實施方案中，密度可以為約1.2 g/cm3 ~ 約1.8g/cm3。在還有一些實施方案中，密度可以為約1.3 g/cm3~約1.6 g/cm3。對于肉眼，這類碳可能象無孔固體。但顯微觀察可證明，這類高 密度碳泡沫具有一定程度的孔隙率。孔隙一般均勻地分布在泡沫內(nèi)。高 密度碳泡沫的孔隙提供泡沫內(nèi)的空隙體積，孔隙大多彼此互連并與泡沫 外部連通，因此形成可稱之為"開孔"或"多孔"的結(jié)構(gòu)。另一方面， 無內(nèi)部空隙體積或只有與材料外部不連通的空隙體積的材料可稱為"閉 孔"或"無孔"材料。
在有些實施方案中，在約90倍放大下的顯微觀察證明，本發(fā)明的 碳泡沫并非簡單地包含燒結(jié)粉末。也就是說，用來制備泡沫的絕大部分 煤粒基本上不再是僅在相互接觸區(qū)粘結(jié)在一起的單個顆粒，而已成為燒 結(jié)材料。表觀上，高密度碳泡沫的微觀結(jié)構(gòu)可能與低密度煤基碳泡沫和 網(wǎng)狀玻璃碳類似，但不等價。也就是說，高密度碳泡沫可以由厚且略彎 曲的互連碳泡壁界定的確定而規(guī)則的空隙空間構(gòu)成，它形成連續(xù)的開孔 泡沫狀致密碳體。 一般地，高密度碳泡沫的空隙空間不具有大量的低密
度煤基碳泡沫的明確球形空隙中常存在的那種寬彎曲壁。
在其它實施方案中，高密度碳泡沫的結(jié)構(gòu)，在約90倍的顯微觀察 中可表現(xiàn)為由尺寸和取向均無規(guī)的許多無規(guī)互連和交織的小碳泡壁構(gòu) 成。這類互連泡壁在整個高密度碳泡沫內(nèi)是連續(xù)的。這些泡壁的表面可 以是彎曲且相對光滑的，非均勻的，不規(guī)則的或有時甚至包埋有可能因 尚未達到高度塑性而殘留的煤粒。在這類實施方案中，由泡壁限定的空 隙空間可具有無規(guī)的尺寸和形狀，而球形特征，即使有，也非常有限。
高密度碳泡沫在加熱到高于約700°C，更典型地，高于約95(TC的 溫度，然后冷卻到基本為環(huán)境溫度時，其抗碎強度可大于約5000磅/英 寸2，在有些實施方案中，大于約10,000磅/英寸2,以及在其它實施方 案中，大于約20,000磅/英寸2。這些高密度泡沫體可以是很大程度上各 向同性的。
用來制備高密度碳泡沫的方法一般涉及下列步驟把粉碎的聚結(jié)煙 煤加熱到足以使煤粒軟化并熔化在一起而形成基本均勻的連續(xù)開孔碳 材料的高溫。然后把該均勻的開孔碳材料在高溫下保持一段時間，這段
時間要足以充分降低或基本';肖除碳材料的塑性，以形成高密度碳泡沫。 按照需要，可以使得到的高密度碳泡沫冷卻到基本為環(huán)境溫度或立即或
隨后加熱到高達約320(TC的高溫，然后冷卻。
高密度碳泡沫可直接從聚結(jié)煙煤制成。適用的煙煤是在加熱時變成 塑性(即軟化)的那些煤。這類煤可以是自由溶脹指數(shù)(ASTM標(biāo)準(zhǔn)D720-67,"煤的自由溶脹指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法，，)大于約]，以及在有些實施 方案中，大于約2的那些。煙煤可以是任何煙煤等級，包括低揮發(fā)性、 中揮發(fā)性和高揮發(fā)性A、高揮發(fā)性B和高揮發(fā)性C煙煤?？梢杂脽熋旱?混合物，條件是所得混合物是聚結(jié)體并對應(yīng)于上述自由溶脹指數(shù)參數(shù)。
用來制備本發(fā)明高密度碳泡沫的聚結(jié)煙煤首先要經(jīng)粉碎。在有些實 施方案中，煤要粉碎到基本上所有或約98%以上的煤將通過80目網(wǎng)篩 (U.S.標(biāo)準(zhǔn)篩系列)。這種80目網(wǎng)篩的孔徑約為0.18 mm。在另一些實施 方案中，煤要粉碎到基本上所有或約98%以上的煤將通過140目網(wǎng)篩 (U.S.標(biāo)準(zhǔn)篩系列)。這種80目網(wǎng)篩的孔徑約為0.105 mm。在還有一些實 施方案中，也可以用已粉碎到其它篩目大小的適用煤。在各種實施方案 中，可以把煤粉碎到尺寸小于約0.42 mm,在另一些實施方案中，小于 約().18mm，在還有一些實施方案中，小于約0.105 mm。
現(xiàn)在參考圖1,該圖示意一般包括容器12的高密度碳泡沫成形設(shè)備 10的實施方案。在過篩后，把粉碎煤14放進容器12。容器12可具有 任何形狀或設(shè)計。在有些實施方案中，用平底鍋。容器12可任選地包 括蓋子24。容器12內(nèi)粉碎煤14的裝料量不受特別限制。煤的用量一般 要足以形成煤床，其中構(gòu)成煤床的煤粒與相鄰煤粒相互接觸。在有些實 施方案中，放進容器的煤質(zhì)量是平均每平方英寸容器底面積上有約13 g?？梢杂闷渌狠d量在容器內(nèi)形成所得煤床。容器12可以用不受所選 溫度和壓力的工藝條件明顯影響的任何材料制成。此外，構(gòu)成容器的材 料不應(yīng)受塑性煤的明顯浸潤或因暴露在所選工藝條件下的煤或煤產(chǎn)物 中而受明顯劣化。此外，構(gòu)成容器的材料可根據(jù)結(jié)構(gòu)材料在所需工藝條 件范圍內(nèi)的熱傳遞性質(zhì)和/或尺寸穩(wěn)定性進行選擇。容器的一些適用結(jié)構(gòu) 材料可以是，但不限于，陶覺材料和金屬，包括鋁、不銹鋼和其它類似 材料。
容器內(nèi)底面 一般可以是清潔而光滑的。給定容器的多次使用可劣化 容器內(nèi)底面，由于，例如，來自先前泡沫生產(chǎn)和暴露于相關(guān)工藝條件和 氣體所產(chǎn)生的殘留物的堆積。這類劣化作用對高密度碳泡沫產(chǎn)物底面的 外觀、光潔度和/或完整性都有負面影響。容器底面可以用傳統(tǒng)方法清 理，如，但不限于，洗滌、用磨料等?；蛘撸部梢栽谘b進煤之前先在 容器底面上放一片薄金屬箔或板22。與容器底一樣，這類可被稱做底面 覆蓋物22的金屬箔或板可以在必要時加以清理，以提供清潔而光滑的 表面與煤接觸。但優(yōu)選用鋁箔作為底面覆蓋金屬箔。使用鋁箔可提供每 次用過后經(jīng)濟處理的底面覆蓋物，從而取消或減少清理容器或底面覆蓋 物的需要。此外，用底面覆蓋物，如鋁箔，能更容易從容器內(nèi)取出所得 高密度碳泡沫。
可以用其它材料代替金屬箔或板作為底面覆蓋物22。金屬箔、金屬 板和其它材料可以是至少有 一面是光滑堅實表面的片材。這些金屬箔、 金屬板和其它材料應(yīng)能承受高密度碳泡沫生產(chǎn)中所用的工藝溫度和壓 力。此外，底面覆蓋物22與原料煤或其任何產(chǎn)物應(yīng)基本上是非反應(yīng)性 的。而且，底面覆蓋物22最好不會被塑性原料煤明顯浸潤。優(yōu)選底面 覆蓋物22不應(yīng)明顯吸收或吸附發(fā)泡原料煤。 一般優(yōu)選底面覆蓋材料在 容器底與原料煤和所得高密度碳泡沫之間提供良好的熱傳遞。適用的底 面覆蓋材料22可包括金屬箔和片、無孔或上釉陶瓷板、紙或片等。底 面覆蓋物可打有一個或多個一般為小直徑的孔。其它實施方案可包括滿 足上迷判據(jù)的石墨或碳的箔或片作為底面覆蓋物。
一般優(yōu)選底面覆蓋物
22上與原料煤接觸的光滑表面，在使用之前基本上無污垢、灰塵、碎屑、
殘煤和其它污染物。
一般來說， 一旦粉碎煤14已放進容器，則要使之均勻地分布在容 器底。在有些實施方案中，所得煤床可經(jīng)壓實。壓實作用使粉碎煤床致 密化。這種致密作用可以使高密度碳泡沫的密度更高。壓實也能防止在 高密度碳泡沫上或泡沫內(nèi)形成裂紋、裂隙或其它大的空隙體積。壓實可 以用夯、振動或施加力(即擠壓力)等方法實現(xiàn)，以壓實粉碎煤粒。壓實 力一般不足以使煤床變成自支持粘結(jié)塊。但是，在另一些實施方案中， 壓實力可足以使煤床變成自支持粘結(jié)塊。在實施方案中，當(dāng)用足以使煤 床變成自支持粘結(jié)塊的壓實力時，煤可先經(jīng)壓實后再引進容器12。
在粉碎煤已放進容器12之后，可任選地用剛性片材16覆蓋煤床的 上表面18。剛性片材16可以是至少有一面是光滑堅實面的金屬片、金 屬板或其它材料。該光滑堅實面優(yōu)選朝煤原料床的上表面放置。適用的 剛性金屬片、金屬板和其它材料應(yīng)能承受高密度碳泡沫生產(chǎn)中所用的工 藝溫度和壓力。此外，剛性片材16對原料煤或其任何產(chǎn)物都應(yīng)是基本 非反應(yīng)性的。而且，剛性片材16不應(yīng)被塑性原料煤明顯浸潤。優(yōu)選剛 性片材16不應(yīng)明顯吸收或吸附塑性原料煤。在有些實施方案中，剛性 片材16可以在剛性片材以上的氣氛與剛性片材以下的原料煤或所得高 密度碳泡沫之間提供良好的熱傳遞。適用的剛性片材16可包括金屬片 和板、無孔或上釉陶資板或片等。其它實施方案可包括滿足上述判據(jù)的 石墨片或碳片作為剛性片材。 一般優(yōu)選剛性片材上與原料煤接觸的光滑 面在使用之前基本無污垢、灰塵、碎屑、殘煤和其它污染物。適用剛性 片材16的實例包括，但不限于，厚1/16英寸的鋁板、厚1/8英寸的鋁 板和約0.070英寸的316不銹鋼片。
按照需要，可以在煤床的上表面18與剛性片材16的底面之間用煤 床覆蓋物20。可以用象底面覆蓋物所用的相同類型材料作為煤床覆蓋物 20。例如，可以在煤床14與剛性片材16之間》欠鋁箔。當(dāng)如此》丈置時， 這類材料所起的作用與底面覆蓋物的作用非常相同。因此，這類材料的 可用類型和理想特性基本上與底面覆蓋物的相同。
一般可建議優(yōu)化由剛性片材施加在煤床上的擠壓力，如果用的話。一般地，對于給定的一組工藝條件，所得高密度碳泡沫的密度可隨由剛 性片材所施擠壓力的增加而提高。但是，擠壓力不應(yīng)大到使軟化煤形成 無孔的塊。如果形成了這種無孔塊，則軟化煤可在加熱步驟中溶脹并形 成低密度碳泡沫。限制擠壓力上限的其它因素可包括，例如，可操作性、 容器尺寸和傳熱限度。有效的擠壓力不一定大。例如，對于有些煤和工
藝條件，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，低至每平方英寸煤床上表面約0.02磅的力就有利于 形成致密碳泡沫。對于另一些煤和工藝條件，每平方英寸0.2磅的力已 導(dǎo)致很高質(zhì)量的致密碳泡沫。擠壓力可通過增加剛性片材的質(zhì)量而增 加。增加剛性片材的質(zhì)量常導(dǎo)致其厚度增加，后者又轉(zhuǎn)而產(chǎn)生較低傳熱 能力的不良結(jié)果。
與其通過增加剛性片材的厚度來增加其質(zhì)量和施加在煤床上的擠 壓力，倒不如用一個或多個砝碼來增加4齊壓力。z琺碼可以;改在剛性片材 的上表面或與之連接，以進一步增加擠壓力。按照需要，砝碼可以有突 出部分，如腿，從而使砝碼的質(zhì)量通過剛性片材對施于煤床的擠壓力作 出貢獻，而又不與剛性片材明顯接觸。以此種或類似方法，使用砝碼可 盡量減小對剛性板材以上的氣氛與剛性片材以下的原料煤和所得高密 度碳泡沫之間的傳熱的影響。
容器12上可以放一個容器蓋子24并覆蓋煤床14。 一般可建議把煤 中釋出的揮發(fā)性物質(zhì)盡可能多地保留在煤周圍的氣體體積內(nèi)。在容器12 上加蓋24有利于這種保留。無意受任何理論的限制，認(rèn)為這種保留有 利于煤在高溫下軟化。有些不包括蓋子的容器設(shè)計優(yōu)選具有在至少 一段 時間內(nèi)把釋出的揮發(fā)性物質(zhì)保留在煤周圍氣體體積(即氣氛)內(nèi)的措施。
然后可以把粉碎煤14和容器12加熱到第一高溫。加熱優(yōu)選在基本 惰性的非氧化性或非反應(yīng)性氣氛下進行，除煤在高溫下釋出的氣體或蒸 氣之外。這種氣氛可部分或全部由，例如，氮、氖、氬、氙、二氧化碳 等構(gòu)成。該氣氛的壓力可以是局部環(huán)境壓力(例如0 psig) ~ 500 psig或更 高的范圍內(nèi)的任何壓力。第 一 高溫的大小要足以使煤粒變軟(即塑性)， 至少部分熔化(即至少部分變成流體)并互混在一起，這時，單獨的煤粒 基本上失去其各自的特性并變得彼此基本均勻，由此形成基本均勻的非 燒結(jié)開孔碳材料。煤粒因熔化并互混成連續(xù)的開孔結(jié)構(gòu)而失去它們各自 特性或本性的程度， 一般隨溫度增加到至少第一高溫而增加。 一般地， 煤粒熔化并互混在一起的程度越高，則高密度碳泡沫的強度就越大。因
此，通常優(yōu)選使用工藝控制范圍內(nèi)盡可能高的第一溫度。把煤粒加熱到 太高的溫度，即高于第一高溫的溫度，可使煤粒熔化在一起而形成基本 均勻的閉孔碳材料。繼續(xù)加熱時閉孔碳材料可發(fā)展成低密度碳泡沫或焦 炭。因此，第一高溫可以是低于發(fā)展閉孔碳材料的溫度。在有些實施方 案中，第一高溫是剛低于發(fā)展閉孔碳材料的溫度。對于因工藝條件或其 它原因在高溫下不會呈現(xiàn)所需流度而形成閉孔碳材料的那些煤，第一高 溫可以是使煤最大程度軟化的溫度。在有些實施方案中，該高溫將使所 得高密度碳泡沫的密度最高。
可以較高的速率(即迅速)加熱煤床到 一部分煤床達到足以使煤變得 剛有些軟化的溫度。自該溫度至第一高溫，進行加熱的速率要使組成煤 床的煤塊內(nèi)不會產(chǎn)生大的溫度梯度。通常要避免在組成煤床的煤內(nèi)發(fā)展 這樣的溫度梯度，因為它們會使所得高密度碳泡沫開裂和/或在泡末內(nèi)發(fā) 展其它不均勻性。在把煤床加熱到第一高溫的期間，構(gòu)成煤床的煤塊轉(zhuǎn) 化為基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料。
一旦碳材料已達到第 一 高溫，則加熱可在該溫度下或在較低溫度下 繼續(xù)到所得基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料不再呈塑性或不再能變成塑 性。也就是說，加熱可繼續(xù)到基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料不再是能被
基本軟化的塑性材料?；蛘撸绻@樣的加熱以如下速率進行基本均 勻的非燒結(jié)開孔碳材料的熱塑性特征隨第 一 高溫以上的溫度提高而減 小，則基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料可以被加熱到高于第 一 高溫的溫 度。也就是說，基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料可以被加熱到高于第一高 溫的溫度，如果基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料的碳材料在這些高溫下變 得不比第 一 高溫下的碳材料更軟化或更塑性。碳材料在如此高溫下的加 熱可持續(xù)一段時間，該時間要足以基本消除基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材 料的塑性。
一旦該基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料基本上不再呈塑性，則所得材 料就是高密度碳泡沫。按照需要，所得高密度碳泡沫可以被冷卻到基本 為環(huán)境溫度或立即或隨后加熱到高達約320(TC的第二高溫，然后冷卻下 來。通過在制成后如此加熱到高溫，然后冷卻，所得高密度碳材料的各 項性能可得以明顯改善。這類性能可包括，但不限于，包括抗碎強度在 內(nèi)的力學(xué)強度和導(dǎo)電性。在有些實施方案中，該第二高溫可高于約700 "C,更典型地，高于約950°C。加熱和冷卻的速率都應(yīng)^C到不因泡沫內(nèi)
產(chǎn)生很大的熱梯度而出現(xiàn)不希望的泡沫開裂或其它劣化。在某些實施方 案中，這種加熱和冷卻都可以在基本惰性的非氧化性或非反應(yīng)性氣氛中進行。
對于給定的煤，第一高溫值受許多工藝變量的影響。 一般而言，較 高的工藝氣壓會拓寬適合于形成本發(fā)明高密度碳泡沫的溫度范圍并降 低溫度范圍值。也就是說，隨工藝氣壓的增加，第一高溫值可以降低而 且可用較寬的溫度范圍作為第一高溫。
此外，在高溫下，甚至在低于或等于第一高溫的那些高溫下，較長 的加熱時間會降低煤的塑性，以致使第一高溫移向較高溫度值。在有些 情況下，由于在高溫下較長的加熱時間，煤的塑性可變得不足以使所得 高密度碳泡沫象原本可達到的那樣致密。如果在遠低于第 一 高溫的高溫 下的加熱時間過長，則會生成燒結(jié)產(chǎn)物而非碳泡沫。與高密度碳泡沫相 比，這種燒結(jié)產(chǎn)物可表現(xiàn)出低強度。
預(yù)期所有煤的塑性都會受暴露于足夠高的溫度的影響。因此，在有 些實施方案中，對于加熱時呈現(xiàn)高流度的煤，可以把可用作第一高溫的 溫度限制在很窄的溫度范圍內(nèi)。相反，在另一些實施方案中，對于加熱 時呈現(xiàn)低流度的煤，可以從較寬的溫度范圍內(nèi)選擇作為第 一 高溫的溫
對于有些煙煤，第一高溫可約等于用Arnu/Ruhr膨脹計測定的"起 始膨脹溫度"(ASTMD5515 "用膨脹計測定煙煤溶脹性能的標(biāo)準(zhǔn)測試方 法")。"起始膨脹溫度"值對每種被測試的煤樣品都是特定的。如前面 討論，煤在形成高密度碳泡沫中所經(jīng)受的工藝條件可影響使最佳第一高 溫明顯的溫度。緩慢加熱到第一高溫，會把該溫度值提高到"起始膨脹 溫度"以上的值。在高工藝氣壓下加熱煤塊，可把最佳第一高溫值降到 遠低于"起始膨脹溫度"的值。因此，盡管"起始膨脹溫度，，之類的值 能為選擇或預(yù)估最佳第 一 高溫提供一定的指南，但工藝變量嚴(yán)重影響最 佳第一高溫值。因此，推薦用特定原料煤和工藝條件范圍的實驗研究來 確定最佳第一高溫和其它相關(guān)工藝條件。
此外， 一般不希望煤或所得開孔碳材料在加工期間暴露于氧。這種 暴露對煤可能發(fā)展的流度會產(chǎn)生負面影響并會導(dǎo)致不良的高密度碳泡
沐/二品o
從粉碎煤粒直接生成的高密度碳泡沫可含主要組分碳。但在高密度
碳泡沫材料中也存在其它非揮發(fā)性煤組分。高密度碳泡沫可具有灰分含 量和灰組分，反映出用來制備高密度碳泡沫的原料的那些組分。對于煤 原料，這種灰分含量一般可以在約1重量％以上。 一般地，在有些實施 方案中，從煤制成的高密度碳泡沫的灰分含量可以為約1%~約20%的 灰值。在另一些實施方案中，從煤制成的高密度碳泡沫的灰分含量可以
為約2%~約20%的灰值。在還有一些實施方案中，從煤制成的高密度 碳泡沫的灰分含量可以為約5%~約20%的灰值。更進一步，高密度碳 泡沫，在加熱到高于約70(TC,更典型地，高于約95(TC的溫度，然后 冷卻到基本為環(huán)境溫度時，其抗碎強度(即壓縮強度)可大于約5,000磅/ 英寸2,有時大于約10,000磅/英寸2，以及在有些實施方案中，大于約 20,000磅/英寸2。在某些實施方案中，高密度碳泡沫的抗碎強度可以為 約5,000磅/英寸2~約25,000磅/英寸2。這些高密度碳泡沫體可以是很 大程度上各向同性的。
雖然本發(fā)明已就聚結(jié)煤為原料進行了描述，但預(yù)期其它固態(tài)聚結(jié)碳 基材料也可用作生產(chǎn)高密度碳泡沫的原料。可以被粉碎、聚結(jié)和在加熱
括，但不限于，加熱時至少暫時i成塑性和聚結(jié)體的固態(tài)煤萃、'、氫;匕煤
萃和中間相材料。煤瀝青、合成瀝青、石油瀝青、中間相瀝青、包括酚 醛在內(nèi)的樹脂等都可以與 一種或多種上述固態(tài)聚結(jié)原料聯(lián)用來形成高 密度碳泡沫。
高密度碳泡沫可適用于作燒蝕屏、熱障、窯設(shè)備、火箭噴口、防沖 屏、熱交換器、熱防護系統(tǒng)以及要求高壓縮強度、耐高溫和/或熱導(dǎo)率在 高密度碳泡沫所呈范圍內(nèi)的其它應(yīng)用中的材料。此外，高密度碳泡沫還 可用于先前曾用石墨的許多應(yīng)用中。
以下實施例是為說明本發(fā)明的某些實施方案而給出的且無意限制 本發(fā)明。
實施例1
把一般被分類為低揮發(fā)性煙煤的聚結(jié)煙煤粉碎成尺寸小于約140目 (U.S.標(biāo)準(zhǔn)系列篩)的顆粒。把一部分粉碎煤放進平底容器，以形成每平 方英寸底面約13g的基本均勻裝料。在引進煤之前，容器內(nèi)先已放有鋁 箔底面覆蓋物。然后通過把該容器從數(shù)英寸高度落下多次而壓緊所得的
煤床。然后，用一片鋁箔覆蓋所得的密實煤床，以提供煤床覆蓋物。然 后在煤床覆蓋物上放一塊1/8英寸厚的鋁板。在鋁板上加砝碼，使煤床 上面受到約0.11磅/英寸2的擠壓力。然后把容器蓋放在容器上。
然后，在環(huán)境壓力下的基本惰性的非氧化性氣氛下，以約5°C/min 的速率把該容器從環(huán)境溫度加熱到約41(TC。然后，以約0.25。C/mm的 速率把該容器從約410。C加熱到約490°C。然后保持該容器在約490。C下 約8h。在如此加熱后，使容器以不大于約2.5°C/min的速率冷卻到環(huán)境溫度。
然后在基本惰性的非氧化性氣氛下把所得的高密度碳泡沫加熱到 高于約10(TC的溫度。 一部分所得碳泡沫的密度為約1.33 g/cm3,以及 抗碎強度為約7,900磅/英寸2。
實施例2
把與實施例1中所用的同類煙煤粉碎成尺寸小于約140目(U.S.標(biāo)準(zhǔn) 系列篩)的顆粒。把一部分該粉碎煤放進平底容器，以形成每平方英寸底 面約13g的基本均勻裝料。在引進煤之前，容器內(nèi)先已放有鋁箔底面覆 蓋物。然后用一片鋁箔覆蓋煤床，以提供煤床覆蓋物。然后在煤床覆蓋 物上放一塊1/8英寸厚的鋁板。在鋁板上加砝碼，使煤床上面受到約 0.025磅/英寸2的擠壓力。然后把容器蓋放在容器上。
然后，在壓力為約400 ~約430磅/英寸2的基本惰性的非氧化性氣 氛下，用圖2所示的溫度曲線加熱該容器。在如此加熱后，使容器緩慢 冷卻到環(huán)境溫度。在冷卻期間，當(dāng)容器溫度為約IO(TC時，把基本惰性 的非氧化性氣氛的壓力減至接近于環(huán)境壓力。
然后在基本惰性的非氧化性氣氛下，把所得高密度碳泡沫加熱到高 于約110(TC的溫度。 一部分所得碳泡沫的密度為約1.39 g/cm3,以及抗 碎強度為約0,200磅/英寸2。
實施例3
把與實施例1中所用的同類煙煤粉碎成尺寸小于約140目(U.S.標(biāo)準(zhǔn) 系列篩)的顆粒。把一部分該粉碎煤放進平底容器，以形成每平方英寸底 面約13g的基本均勻裝料。在引進煤之前，容器內(nèi)先已放有鋁箔底面覆 蓋物。然后，用一片鋁箔覆蓋煤床，以提供煤床覆蓋物。然后在煤床覆
蓋物上放一塊1/8英寸厚的鋁板。在鋁板上加砝碼，使煤床上面受約0.12 磅/英寸2的擠壓力。然后把容器蓋放在容器上。
然后，在壓力為約400 ~約460磅/英寸2的基本惰性的非氧化性氣 氛下，用圖3所示的溫度曲線加熱該容器。在如此加熱后，使容器緩慢 冷卻到環(huán)境溫度。在冷卻期間，當(dāng)容器溫度為約IO(TC時，把基本惰性 的非氧化性氣氛的壓力減至接近于環(huán)境壓力。
然后在基本惰性的非氧化性氣氛下，把所得高密度碳泡沫加熱到約 1050。C的溫度。 一部分所得碳泡沫的密度為約1.48 g/cm3,以及抗碎強 度為約17,300磅/英寸2。
盡管本發(fā)明已就某些實施方案進行了詳述，但本發(fā)明僅受隨后所附 權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.高密度碳泡沫，包含由互連的連續(xù)碳泡壁構(gòu)成的開孔體，其中高密度碳泡沫的密度大于約0.8g/cm3以及灰分含量大于約1％。
2. 權(quán)利要求1的高密度碳泡沫，其中所述灰分含量大于約2%而小 于約20%。
3. 權(quán)利要求1的高密度碳泡沫，其中所述密度大于約1.2 g/cm3& 小于約1.8g/cm3。
4. 權(quán)利要求1的高密度碳泡沫，其中所述高密度碳泡沫的抗碎強度 為約5,000磅/英寸2 ~約25,000磅/英寸2。
5. 權(quán)利要求1的高密度碳泡沫，其中所述灰分含量大于約2%而小 于約20%,所述密度大于約1.2 g/cr^而小于約1.8 g/cm3,以及所述高 密度碳泡沫的抗碎強度為約5,000磅/英寸2~約25,000磅/英寸2。
6. —種生產(chǎn)高密度碳泡沫的方法，包括下列步驟把粉碎的聚結(jié)碳質(zhì)原料加熱到第 一高溫，其中所述第 一 高溫足以形 成基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料，和把所述基本均勻的開孔碳材料在高溫下保持一段時間，這段時間要 足以基本消除所述基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料的塑性，以形成高密度 碳泡沫。
7. 權(quán)利要求6的方法，其中所述固體碳質(zhì)原料選自下列一組煤 萃、氫化煤萃和中間相材料。
8. 權(quán)利要求6的方法，其中所述碳質(zhì)原料是聚結(jié)煙煤。
9. 權(quán)利要求6的方法，還包括把所述高密度碳泡沫在高于約700°C 的第二高溫下加熱的步驟。
10. 權(quán)利要求17的方法，其中所述第二高溫高于約950°C。
11. 權(quán)利要求6的方法，其中所述加熱在基本惰性的非氧化性氣氛 中進4亍。
12. —種生產(chǎn)高密度碳泡沫的方法，該方法包括下列步驟 在容器內(nèi)裝進粉碎煤，以形成煤床，其中粉碎煤是聚結(jié)煙煤 在煤床上施加擠壓力；用蓋子蓋上容器；把煤床加熱到第 一 高溫，其中第 一 高溫足以形成基本均勻的非燒結(jié) 開孔碳材料；和把基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料在高溫下繼續(xù)加熱 一段時間，這段 時間要足以基本消除基本均勻的非燒結(jié)開孔碳材料的塑性，以形成高密 度碳泡沫。
13. 權(quán)利要求12的方法，還包括把所述高密度碳泡沫加熱到超過約 700。C的笫二高溫的步驟。
14. 權(quán)利要求12的方法，其中所述第二高溫高于約95(TC。
15. 權(quán)利要求12的方法，其中所述加熱在基本惰性的非氧化性氣氛下進行。
全文摘要
本申請描述了高密度碳泡沫及其生產(chǎn)方法。用來制備高密度碳泡沫的方法可涉及把粉碎的聚結(jié)煙煤加熱到足以使煤粒軟化并熔化在一起而形成基本均勻的連續(xù)開孔碳材料的高溫。然后把該均勻的開孔碳材料在高溫下保持一段時間，這段時間要足以充分降低或基本消除煙煤的塑性。按照需要，可以使所得的高密度碳泡沫冷卻到基本為環(huán)境溫度或立即或隨后加熱到高達約3200℃的高溫，然后冷卻。
文檔編號C10B53/04GK101189320SQ200680019270
公開日2008年5月28日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者R·盧卡斯, T·M·馬特維亞 申請人:塔奇斯通研究實驗室有限公司