一种高强度炭泡沫材料及其制备方法与流程

本发明属于炭材料领域，涉及一种高强度炭泡沫材料的制备方法。

背景技术：

炭泡沫(Carbon foams，CF)是一种由大尺寸孔径的孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料。除具有炭材料的常规性能外，炭泡沫还具有低密度、高比强、抗热震、易加工等特性和特殊的导电、导热、吸波等物理和化学性能，通过与金属或非金属复合，可以获得高性能的结构材料，这些优异的性能使泡沫炭在化工、航空航天、电子、能源等诸多技术领域极具应用潜力，近年来，炭泡沫材料的研究在国内外得到高度关注。

CN 1966404 A公开了一种用芳基乙炔单体制备碳泡沫的方法，所述制备方法首先选取纯度90-94％以上，间苯乙炔和对苯乙炔的质量比为5:2的芳基乙炔单体为原料。接着按比例加入发泡剂正戊烷和匀泡剂吐温80，升温搅拌，滴加固化剂硫酸，继续恒温搅拌，在固化过程中发泡，获得部分固化的泡沫体。然后用丙酮溶液浸泡清洗上述泡沫体以去除其中的匀泡剂和固化剂。再将其分级完全固化：120℃恒温干燥2h，150℃恒温干燥2h，180℃恒温干燥2h，200℃恒温干燥2h，氮气氛围中350℃后处理4h，得到聚芳基乙炔泡沫。最后将其沫在氮气氛围中以10℃/min由室温加热到900℃，恒温180min让其碳化，再缓慢降至室温，即得到碳泡沫。

CN 101955179 A公开了一种使用生物质焦油制备泡沫炭的方法，所述方法步骤一：按质量比0.5:1～5:1称取生物质焦油和交联剂置于反应器内，搅拌均匀，加入质量为焦油和交联剂总质量4～9％的催化剂，在120～160℃惰性气氛下加热搅拌，反应1～6h后，得B阶缩合多环芳烃树脂；步骤二：将B阶缩合多环芳烃树脂置于氧化剂于中，在空气氛围下，加热至高于树脂软化点10～70℃，得氧化B阶树脂；步骤三：将氧化B阶树脂研磨后装入常压定容模具中，在250～400℃条件下加热30～120min，得到泡沫树脂；步骤四：将泡沫树脂放入炭化炉中，惰性气氛下升温至600～1500℃，保温0.5～4h后冷却至室温，得到泡沫炭。

CN 102134068 A提供了一种高开孔率石墨化泡沫炭的制备方法，所述制备方法用沥青类物质重量的1-5倍的有机溶剂对沥青类物质进行萃取获得萃取液，将作为模板的高聚物泡沫在上述萃取液中浸渍2-10min，取出浸渍后的模板泡沫，挤压出过量萃取液获得复合物泡沫，将挤压后的复合物泡沫在0-150℃下干燥5-300min，将干燥后的复合物泡沫在空气或氧气气氛下，以0.5-5℃/min程序升温至200-350℃，氧化处理20-120min，冷却至室温后得到氧化后的复合物泡沫；将氧化后的复合物泡沫在惰性气体保护下，以0.01-50℃/min程序升温至700-1500℃得到泡沫炭；将所得泡沫炭以1-50℃/min程序升温至2800-3000℃，得到高开孔率石墨化泡沫炭。

综上所述，现有技术制备碳泡沫采用的原料都有一定的缺点，树脂易于控制发泡得到孔径细小均匀的泡沫前体，但难以石墨化且脆性大，而沥青、焦油、煤等易于获得高导热高导电的石墨泡沫，但泡沫前体的制备装置要求较高，工艺过程比较繁锁，同时现有技术制备的炭泡沫的强度都较低。因此，研究一种新型的炭泡沫的制备方法十分重要。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种炭泡沫的制备方法，所述制备方法以糖类物质为碳源，原料成本低廉，无毒无害，发泡简单，泡沫的体积和密度可控，可以充分填充到模具中，糖类物质中碳的转化率高，且制备得到的炭泡沫的强度高，生产工艺简单，适合工业化生产。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)以糖类物质为碳源材料，与水凝胶剂材料溶于水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液中加入发泡剂，在惰性气体保护下发泡得到发泡体，然后将发泡体凝胶固化，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体进行碳化处理，得到炭泡沫材料。

本发明采用糖类物质作为碳源材料，通过加入凝胶剂材料，再加入选择的发泡剂发泡，碳化后可以获得高强度的碳泡沫材料。糖类物质作为碳源，制备成混合液并加入发泡剂后，由于改变了混合液的表面张力，因此搅拌后可获得细小均匀的泡沫，加入凝胶剂材料凝胶固化后，形成高分子三维网络状结构，将泡沫壁中糖类物质束缚在极小的空间内，避免了在后续处理过程中糖类物质的挥发和不可控发泡造成泡沫体的变化。由于泡沫细小均匀，因此形成的炭泡沫材料中的孔同样细小均匀，且孔壁均匀致密，提高了碳泡沫材料的强度。所以，糖类物质、凝胶剂材料以及发泡剂三者协同作用，使形成的泡沫均匀细小，从而使碳泡沫材料的强度得到了提升。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述糖类物质包括水溶性糖类物质和/或非水溶性糖类物质。

优选地，所述水溶性糖类物质包括蔗糖、葡萄糖、果糖和麦芽糖中的任一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：蔗糖和葡萄糖的组合、葡萄糖和果糖的组合、果糖和麦芽糖的组合、麦芽糖和蔗糖的组合或蔗糖、葡萄糖和果糖的组合等。

优选地，所述非水溶性糖类物质包括玉米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：玉米淀粉和马铃薯淀粉的组合、马铃薯淀粉和红薯淀粉的组合、红薯淀粉和玉米淀粉的组合或玉米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉的组合等。

其中，非水溶性糖类物质并非在水中的溶解度为0，这些糖类物质在水中有很小的溶解度，但是宏观上很难观察到溶解的存在，因此将其定义为非水溶性糖类物质。

优选地，水溶性糖类物质的加入量为水重量的80～200％，如80％、90％、100％、110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％或200％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，非水溶性糖类物质的加入量为水重量的50～100％，如50％、60％、70％、80％、90％或100％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

糖类物质原料廉价易得，无毒无害，作为碳水化合物，除水后没有其他杂质，可以得到高纯度碳泡沫，若要制备特殊用途的超高纯度碳泡沫时，可使用的蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖等水溶性原料并对其进行预提纯处理，典型方法是将其水溶液在离子交换柱中反复过滤去除杂质直至达到所需要的纯度，同时使用不含金属离子的发泡剂即可。

其中蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖等水溶性原料可以方便地配制不同浓度的水溶液供使用，室温下100g水中可溶解210g蔗糖，果糖的溶解度更为蔗糖的1.9倍，麦芽糖甚至可以在室温下以液体形式存在，与水无限互溶，葡萄糖室温下溶解度虽不算很高，但在60℃以上100g水中则可溶解葡萄糖300g以上，且该过饱合溶液降至室温可延时数小时不会析出。而玉米淀粉、马铃薯淀粉等非水溶性(或溶解度很小)原料配制水料浆悬浮性好不易沉降，非常方便配制水料浆供使用，操作方便。

与一般高分子树脂不同，葡萄糖、果糖是含有一个六元环而蔗糖、麦芽糖是含有两个六元环的小分子有机物，淀粉则是可看作是葡萄糖的聚合物，均属于易石墨化物质。通过控制高温碳化处理温度，便可获得从无定形态到部分石墨化甚至完全石墨化的不同结构的碳泡沫材料。

优选地，步骤(1)所述水凝胶剂材料为丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的组合。

优选地，所述凝胶剂材料的加入量为水质量的10～35％，如10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％或33％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用，进一步优选为15～25％。

优选地，所述丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺比例为10:1～30:1，如10:1、15:1、20:1、25:1或30:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用，进一步优选为15:1～25:1。

优选地，步骤(2)所述发泡剂包括离子型表面活性剂发泡剂、非离子型表面活性剂发泡剂、蛋白活性物型发泡剂和复合型发泡剂中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：离子型表面活性剂发泡剂和非离子型表面活性剂发泡剂的组合、非离子型表面活性剂发泡剂和蛋白活性物型发泡剂的组合、蛋白活性物型发泡剂和复合型发泡剂的组合或离子型表面活性剂发泡剂、非离子型表面活性剂发泡剂和蛋白活性物型发泡剂的组合等。

优选地，步骤(2)所述发泡剂包括水泥发泡剂，进一步优选为中国建筑材料科学研究总院生产的水溶性复合非离子型水泥发泡剂FP-12。

优选地，步骤(2)所述发泡剂的加入量为步骤(1)得到的混合液质量的0.5～2％，如0.5％、0.6％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％或2％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，步骤(2)所述发泡的时间为10～60min，如10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用，进一步优选为20～40min。

优选地，步骤(2)所述发泡体的体积为混合液体积的1.5～4.0倍，如1.5倍、2倍、2.5倍、3倍、3.5倍或4倍等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

控制发泡剂的加入量以及发泡时间和搅拌速率可以控制碳泡沫材料中孔径的大小以及密度，当加入的发泡剂较少、搅拌速率较低且发泡时间控制在较短时间内时，由于发泡速率变慢，容易形成大小不均匀的气泡，且孔壁较厚，同时较短的发泡时间难以增大发泡倍率，因此密度较高；而如果发泡剂加入量大、搅拌速率较高且发泡时间较长时，由于发泡搅拌速率加快，泡沫的体积就变大，孔壁变薄，密度变小。同时长时间的发泡会使泡沫孔径更加均匀，所以本发明应严格控制发泡剂的加入量，当发泡剂的加入量小于混合液质量的0.5％时，发泡速度缓慢，发泡体积过小，孔壁较厚，造成泡沫体中的气孔半径大小不均匀，影响最终炭泡沫材料的强度；当发泡剂的加入量大于混合液质量的2％时，发泡速度过快，会导致泡沫体体积过大，孔壁过薄，密度过低，从而同样会使最终炭泡沫材料的强度降低。

作为本发明优选的技术方案之一，步骤(2)所述惰性气体包括氮气和/或氩气。

优选地，步骤(2)所述发泡在搅拌下进行。

优选地，所述搅拌的方式选自机械搅拌或电磁搅拌。

优选地，所述的搅拌速率为1000～2500r/min，如1000r/min、1200r/min、1500r/min、1800r/min、2000r/min、2200r/min或2500r/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述凝胶固化为引发剂-催化剂凝胶固化。

优选地，所述引发剂-催化剂凝胶固化包括如下步骤：在凝胶固化前向发泡体中边搅拌边加入引发剂和催化剂。

优选地，所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：过硫酸铵和过硫酸钠的组合、过硫酸铵和过硫酸钾的组合、过硫酸钠和过硫酸钾的组合、过硫酸钾和过硫酸钠的组合等，进一步优选为过硫酸铵，以减少K、Na杂质离子的引入。

优选地，所述引发剂以水溶液的形式加入，所述引发剂水溶液浓度为5～15wt％，如5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％或15wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，所述引发剂混合液的加入量为原混合液质量的2～5％，如2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，所述催化剂选自三乙醇胺和/或四甲基乙二胺。

优选地，所述催化剂以水溶液的形式加入，所述催化剂水溶液的浓度为20～50wt％，20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％或50wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，所述催化剂水溶液的加入量为原混合液质量的1.0～3.0％，如1.0％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％、2.8％或3.0％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，所述氧化-还原凝胶固化包括如下步骤：在凝胶固化前向所述发泡体中边搅拌边加入氧化剂和还原剂。

作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述凝胶固化为氧化-还原凝胶固化。

优选地，所述氧化剂选自过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：过硫酸铵与过硫酸钠的组合、过硫酸钠与过硫酸钾的组合、过硫酸钾与过硫酸铵的组合或过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠的组合等，进一步优选为过硫酸铵，以减少K、Na杂质离子的引入。

优选地，所述还原剂选自亚硫酸铵、亚硫酸钾和亚硫酸钠中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：亚硫酸铵与亚硫酸钠的组合、亚硫酸钠与亚硫酸钾的组合、亚硫酸钾与亚硫酸铵的组合或亚硫酸铵、亚硫酸钾和亚硫酸钠的组合等，进一步优选为亚硫酸铵，以减少K、Na杂质离子的引入。

优选地，所述氧化剂和还原剂以混合水溶液的形式加入，所述氧化剂和还原剂的水溶液的浓度为10～20wt％，如10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％和20wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，所述氧化剂和还原剂水溶液的加入量为原混合液质量的3.0～6.0％，如3.0％、3.2％、3.5％、3.8％、4.0％、4.2％、4.5％、4.8％、5.0％、5.2％、5.5％、5.8％或6.0％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，所述氧化剂和还原剂的质量比为(1～2):1，如1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1或2:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述凝胶固化的时间为2～20min，如2min、5min、8min、10min、12min、15min、18min或20min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用，进一步优选为3～15min，时间过短使浇注操作太紧迫，时间过长则容易导致泡沫发生变化。

优选地，步骤(2)所述凝胶固化在模具中进行。

优选地，所述模具选自金属模具、塑料模具、尼龙模具、橡胶模具或玻璃模具中任意一种。

作为本发明优选的技术方案，所述碳化过程包括依次进行的低温热解预碳化和高温碳化。

优选地，所述低温热解预碳化为将步骤(2)得到的泡沫凝胶体置于鼓风干燥箱中从100℃到250℃连续或阶梯式升温热解预碳化。

优选地，所述低温热解预碳化的时间为30～100h，如30h、40h、50h、60h、70h、80h、90h或100h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，所述高温碳化在惰性气体保护下进行。

优选地，所述惰性气体选自氮气和/或氩气。

优选地，所述高温碳化的温度为800～2800℃，如800℃、1000℃、1500℃、1800℃、2000℃、2200℃、2500℃或2800℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

优选地，所述高温碳化的时间为1～4h，如1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(3)之前进行步骤(2’)，所述步骤(2’)为对步骤(2)得到的泡沫凝胶体进行干燥，至所述泡沫凝胶体收缩到体积不变。

优选地，所述干燥包括自然干燥、冷冻干燥或加热干燥中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：自然干燥和冷冻干燥的组合、冷冻干燥和加热干燥的组合、自然干燥和加热干燥的组合或自然干燥、冷冻干燥或加热干燥的组合等，进一步优选为自然干燥。

优选地，所述干燥的时间为24～72h，如24h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h或72h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其他未列举的数值也同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：

(1)以50～200重量份的糖类物质为碳源材料，与10～30重量份的水凝胶剂材料溶于100重量份的水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液加入所述混合液质量0.5～2.0％的发泡剂，在惰性气体保护下发泡10～60min至体积膨胀为初始体积的1.5～4.0倍，加入引发剂和催化剂的组合或氧化剂和还原剂的组合凝胶固化2～20min，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体低温热解预碳化30～100h，再于800～2800℃下碳化1～4h，得到碳泡沫材料。

本发明还提供一种由上述任一种制备方法制备的炭泡沫材料，所述炭泡沫材料具有圆型泡沫状的孔/壁结构，孔径均匀细小，孔壁为含有的均匀致密的纳米孔碳组成，因此有很高的强度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供了一种碳泡沫材料的制备方法，其中糖类物质、凝胶剂材料以及发泡剂之间协同作用，在室温机械搅拌下能够相对容易的发泡，可以方便的获得细小均匀和不同密度的与模具形状一致的泡沫凝胶体；

(2)本发明提供了一种高强度炭泡沫材料的制备方法，所述制备方法通过控制糖类物质混合液浓度、发泡率和碳化温度，可获得不同气孔率、不同结构的高纯度炭泡沫材料，其泡沫孔壁为含有的均匀致密的纳米孔碳组成，1700℃高温碳化后体积密度为0.42g/cm³的蔗糖炭泡沫，抗弯强度达27.1MPa，抗压强度达37.8MPa；

(3)本发明提供了一种碳泡沫材料的制备方法，其中糖类物质水溶液或水料浆经发泡凝胶固化后，通过干燥和低温热解预碳化处理可实现部分碳、水分离，在高温碳化时不再发生不可控发泡现象，并使最终碳收得率可达到所用糖类物质理论含碳量的90％以上；

(4)本发明提供了一种碳泡沫材料的制备方法，工艺过程均非常简便，基本不存在环境和设备污染问题，适合于工业化生产炭泡沫材料。

附图说明

图1为1700℃碳化后蔗糖炭泡沫的孔结构SEM形貌图；

图2为1700℃碳化后蔗糖炭泡沫的孔壁SEM形貌图；

图3为1700℃碳化后蔗糖炭泡沫的孔壁微结构SEM形貌图；

图4为1700℃碳化后蔗糖炭泡沫的XRD谱图；

图5为800℃碳化后蔗糖炭泡沫的SEM形貌图；

图6为800℃碳化处理后蔗糖碳泡沫的拉曼谱图；

图7为1200℃碳化后蔗糖炭泡沫的SEM形貌图；

图8为2500℃石墨化处理后蔗糖炭泡沫的SEM形貌图；

图9为2500℃石墨化处理后蔗糖炭泡沫壁的XRD谱图；

图10为2500℃石墨化处理后蔗糖炭泡沫壁微观结构的TEM形貌图；

图11为2800℃石墨化处理后葡萄糖炭泡沫的SEM形貌图；

图12为2800℃石墨化处理后蔗糖炭泡沫的SEM形貌图；

图13为2800℃石墨化处理后马铃薯淀粉炭泡沫的SEM形貌图；

图14为2800℃石墨化处理后蔗糖和葡萄糖炭泡沫的XRD谱图；

图15为250℃预碳化后马铃薯淀粉泡沫凝胶体的SEM形貌图；

图16为1200℃碳化后马铃薯淀粉炭泡沫的SEM形貌图；

图17为1200℃碳化后马铃薯淀粉炭泡沫的XRD谱图。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

本发明具体实施例部分提供一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)以糖类物质为碳源材料，与水凝胶剂材料溶于水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液中加入发泡剂，在惰性气体保护下发泡得到发泡体，然后将发泡体凝胶固化，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体进行碳化处理，得到炭泡沫材料。

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将100g蔗糖、15g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于80g水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液加入所述混合液质量1.2g水泥发泡剂FP-12，在氩气保护下发泡15min至体积膨胀至400mL，向泡沫体中加入浓度为10％的过硫酸铵水溶液4g、浓度为50％的三乙醇胺水溶液1.5g，浇注于玻璃板组成的长方形模具中，凝胶固化5min，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体置于高温鼓风干燥箱中，在100℃保温24h，然后升温至150℃、200℃、250℃分别保温12h预碳化，泡沫凝胶体转变为黑色；将该黑色泡沫凝胶体置于氮气保护的高温炉中，以300℃/h速率升温至1700℃保温2h后随炉冷却，得到炭泡沫材料。

蔗糖理论含碳量为42.1％、实测丙烯酰胺1200℃的残碳率为18.5％，保守计算出本实施例中蔗糖的碳收得率约为其理论含碳量的95％左右。在砂纸上磨平该试块四边和两面，获得一块尺寸为130mm×70mm×8.0mm、重量为30.6g的长方形炭泡沫材料，计算可知其体积密度为0.42g/cm³。其泡沫微观结构见图1，泡沫壁微观结构见图2和图3，泡沫壁的XRD谱见图4，可知该炭泡沫具有圆型泡沫状的孔/壁结构，孔径平均小于50μm，孔壁为含有10nm以下纳米微孔的较致密结构，晶体结构为无定形碳和石墨的复合物。从该样品上切割加工出5mm×5mm×36mm抗弯强度试条5根，5mm×5mm×10mm抗压强度试条6根，采用三点弯曲法测出其抗弯强度平均为27.1MPa，抗压强度平均为37.8MPa。

实施例2

一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将100g蔗糖、15g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于100g水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液加入所述混合液质量1.5g水泥发泡剂FP-12，在氩气保护下发泡30min至体积膨胀至450mL，向泡沫体中加入过硫酸铵和亚硫酸铵各为10％浓度的混合水溶液5g，浇注于玻璃板组成的长方形模具中，凝胶固化8min，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体置于高温鼓风干燥箱中，在100℃、120℃、150℃、180℃、220℃、250℃分别保温8h预碳化，泡沫凝胶体转变为黑色；将该黑色泡沫体置于氮气保护的高温炉中，以300℃/h速率升温至800℃保温2h后随炉冷却，得到1-1#炭泡沫材料。

在砂纸上磨平四边和两面获得一块尺寸为120mm×60mm×10mm、重量为30.2g的长方形碳泡沫材料，计算可知其体积密度为0.42g/cm³。切割一部分观察其泡沫微观结构见图5，该炭泡沫具有圆型泡沫状的孔/壁结构，平均孔径约为30μm左右，泡沫壁的拉曼谱见图6，晶体结构为无定形碳和石墨的复合物。可知蔗糖为易石墨化物质，仅在800℃碳化处理后结构中就出现了相当数量的石墨晶体。

将剩余1-1#碳泡沫材料再次置于氮气保护的高温炉中，以300℃/h速率升温至1200℃保温2h后随炉冷却，得到1-2#炭泡沫材料，其体积密度为0.40g/cm³，泡沫微观结构无显著变化，见图7。

将1-2#炭泡沫材料切割加工出5mm×5mm×36mm和5mm×5mm×10mm试条各5根，测出其抗弯强度平均为23.3MPa，抗压强度平均为36.4MPa，处于很高强度水平。

将1-2#剩余炭泡沫材料再次置于氮气保护的高温炉中，以300℃/h速率升温至2500℃保温2h后随炉冷却，得到1-3#炭泡沫材料，其体积密度仍为0.40g/cm³，泡沫微观结构见图8，XRD谱见图9，可以看出1-3#炭泡沫材料仍为圆型泡沫状的孔/壁结构，但石墨衍射峰强度已明显加强。通过高分辨透射电镜观察孔壁微观结构，可看出已形成许多片层状石墨，其微晶尺寸约10nm左右，见图10。切割加工出5mm×5mm×10mm试条6根，测出其抗压强度平均为17.1MPa，说明随着泡沫孔壁石墨化程度提高，其强度水平会有所下降。

实施例3

一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将100g葡萄糖、20g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于80g水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液加入所述混合液质量1.0g水泥发泡剂FP-12，在氩气保护下发泡30min至体积膨胀至380mL，向泡沫体中加入浓度为5％的过硫酸铵水溶液8g、浓度为30％的四甲基乙二胺水溶液3.5g，浇注于尼龙组成的圆柱形模具中，凝胶固化3min，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体置于高温鼓风干燥箱中，在100℃保温24h，再于120℃、150℃、180℃、220℃、250℃分别保温10h预碳化，泡沫凝胶体转变为黑色；将该黑色泡沫体置于氩气保护的高温炉中，以200℃/h速率升温至2800℃保温2h后随炉冷却，得到炭泡沫材料。

葡萄糖理论含碳量为36.4％、实测丙烯酰胺1200℃时的残碳率为18.5％，保守计算可得本实施例中葡萄糖的碳收得率约为其理论含碳量的92％。在砂纸上磨平两端面得到一块尺寸Φ84mm×8.5mm、重量31.5g的圆饼形碳泡沫材料，计算可知其体积密度为0.67g/cm³，其SEM微观结构见图11，XRD谱见图14。可看出2800℃处理后仍具有圆型泡沫状的孔/壁结构，材质已完全石墨化。切割加工出5mm×5mm×36mm和5mm×5mm×10mm试条各5根，测出其抗弯强度平均为11.4MPa，抗压强度平均为24.6MPa。显然，石墨化处理后炭泡沫强度有所降低，但仍处于高强度水平。

实施例4

一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将100g蔗糖、20g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于100g水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液加入所述混合液质量2.0g水泥发泡剂FP-12，在氩气保护下发泡40min至体积膨胀至450mL，向泡沫体中加入浓度为15％的过硫酸铵水溶液3.0g、浓度为40％的四甲基乙二胺水溶液2.0g，浇注于尼龙组成的圆柱形模具中，凝胶固化6min，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体脱模取出，于室温自然条件下干燥24h，再置于高温鼓风干燥箱中，在100℃保温24h，再于120℃、150℃、180℃、220℃、250℃分别保温10h预碳化，泡沫凝胶体转变为黑色；将该黑色泡沫体置于氩气保护的高温炉中，以200℃/h速率升温至2800℃保温2h后随炉冷却，得到炭泡沫材料。

在砂纸上磨平两端面得到一块尺寸Φ102mm×9.7mm、重量30.9g的圆饼形碳泡沫材料，计算可知其体积密度为0.39g/cm³，其SEM微观结构见图12，XRD谱见图14。可看出2800℃处理后仍具有圆型泡沫状的孔/壁结构，材质与葡萄糖碳泡沫相同，已完全石墨化。切割加工出6根5mm×5mm×36mm试条和5根5mm×5mm×10mm试条，测出其抗弯强度平均为8.5MPa，抗压强度平均为16.0MPa。显然，石墨化处理后蔗糖碳泡沫强度有所降低，但其密度仅为0.39g/cm³，仍处于高强度水平。

实施例5

一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将100g马铃薯淀粉、25g丙烯酰胺、1.2g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于120g水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液加入所述混合液质量1.2g水泥发泡剂FP-12，在氩气保护下发泡40min至体积膨胀至450mL，向泡沫体中加入含有10％过硫酸铵、8％亚硫酸铵的混合水溶液6.0g，浇注于尼龙组成的圆柱形模具中，凝胶固化12min，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体脱模取出，于室温自然条件下干燥24h，再置于高温鼓风干燥箱中，在100℃保温24h，从100℃至250℃共计50h匀速升温，并最后于250℃保温8h预碳化，泡沫凝胶体转变为黑色；将该黑色泡沫体置于氩气保护的高温炉中，以300℃/h速率升温至1200℃保温3h后随炉冷却，得到碳泡沫材料。

在砂纸上磨平两端面得到一块尺寸Φ96mm×9.0mm、重量31.3g的圆饼形碳泡沫材料，计算可知其体积密度为0.48g/cm³，其SEM微观结构见图13，可看出2800℃处理后泡沫形状仍具有圆型泡沫状的孔/壁结构，但孔壁结构不如葡萄糖和蔗糖炭泡沫孔壁致密。切割加工出4根5mm×5mm×36mm试条和5根5mm×5mm×10mm试条，测出其抗弯强度平均为7.4MPa，抗压强度平均为10.9MPa。相比而言，石墨化处理后淀粉炭泡沫强度不如葡萄糖和蔗糖炭泡沫，但仍处于较高强度水平。

实施例6

一种炭泡沫材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将100g马铃薯淀粉、20g丙烯酰胺、1.0g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于150g水中，得到混合液；

(2)向步骤(1)得到的混合液加入所述混合液质量1.5g水泥发泡剂FP-12，在氩气保护下发泡40min至体积膨胀至450mL，向泡沫体中先后加入浓度为15％的过硫酸铵水溶液3.0g、浓度为20％的四甲基乙二胺水溶液3.0g，浇注于尼龙组成的圆柱形模具中，凝胶固化15min，得到泡沫凝胶体；

(3)将步骤(2)得到的泡沫凝胶体脱模取出，于室温自然条件下干燥24h，再置于高温鼓风干燥箱中，在100℃保温24h，再于120℃、150℃、180℃、220℃、250℃分别保温10h预碳化，泡沫凝胶体转变为黑色；将该黑色泡沫体置于氩气保护的高温炉中，以200℃/h速率升温至2800℃保温2h后随炉冷却，得到炭泡沫材料。

马铃薯淀粉理论含碳量为40％、实测丙烯酰胺1200℃的残碳率为18.5％，计算出本实施例中马铃薯淀粉的碳收得率约为其理论含碳量的93％左右。在砂纸上磨平两端面得到一块尺寸Φ96mm×9.0mm、重量31.3g的圆饼形炭泡沫材料，计算可知其体积密度为0.52g/cm³，其SEM微观结构见图16，可看出1200℃处理后泡沫孔壁结构仍为颗粒状碳，但不如葡萄糖和蔗糖炭泡沫孔壁致密光滑。其XRD谱见图17，晶体结构呈现与蔗糖碳或葡萄糖碳相同的无定形碳和石墨的复合物。切割加工出5mm×5mm×36mm试条和5mm×5mm×10mm试条各5根，测出其抗弯强度平均为18.8MPa，抗压强度平均为25.8MPa，仍处于较高强度水平。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。