本发明涉及一种碳泡沫材料，特别是涉及一种cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料及其制备方法。
背景技术
碳泡沫是一种由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。除了具有碳材料的常规性能外，还具有密度小、强度高、抗热震、抗氧化和良好的隔热、吸波等物理和化学性能。可以广泛应用于能源存储、航空航天、船舶工业、通讯电子工业、建筑领域等诸多技术领域。现如今碳泡沫主要采用沥青、中间相沥青、煤、热固性树脂等作为原材料，采用烧结发泡法和气氛保护热解法制备，并通过控制工艺而控制其石墨化程度来实现碳泡沫的隔热和导热。但是由于碳泡沫抗氧化性能差，无法再高温环境下使用，多年来，国内外对热固性树脂制备碳泡沫又进入了更深层次的研究。
专利号为zl200680056163.5的中国专利提供了一种复合泡沫体，由两种材料复合而成，其中一种为包含多孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料；另一种为沉积在碳泡沫体材料的多个间断面的至少一些之上的第二材料。该碳泡沫体结构可用于铅酸电池，抑制电极损坏，提高电池寿命。
专利号为zl201510018971.3的中国专利提供了一种碳化硅泡沫陶瓷材料，该泡沫陶瓷材料按质量百分比表示，包括碳化硅微粉40％～60％、过氧化氢4％～10％、碳酸钙微粉5％～15％、聚乙烯醇3％～6％和硅溶胶5％～15％。可见碳化硅纯度低，无法充分发挥碳化硅的各项优异性能。
专利号为zl201410743407.3的中国专利提供了一种耐高温高强度sic包覆碳泡沫复合隔热材料及其制备方法，该碳泡沫复合隔热材料由碳泡沫和碳化硅气凝胶构成。该复合泡沫的表观密度为0.4～0.6g/cm3，抗压强度为11～15mpa，室温热导率在0.4～0.6w/(m·k)。该所制备的复合泡沫隔热材料具有抗氧化，耐温性好，同时其用料简单和工艺简捷的优点，且工艺过程操作简单，容易实现规模生产。
申请号为cn201710604378.6的中国专利提供了一种具有中空骨架的三维cvd碳化硅陶瓷泡沫材料，由纯度高于99％的β-型碳化硅三维网状骨架构成，骨架径向尺寸1～20μm，长径比为5～10，该陶瓷泡沫的空隙率为90～99.5％，三维网状孔径大小为10～100μm，碳化硅骨架呈中空状，构成孔道结构，孔道截面形状为圆形、椭圆形或者三角形，尺寸为0.5～10μm，碳化硅骨架壁厚为0.1～10μm。该材料隙率高，密度低，可用于超级电容器，亦可用于催化行业，同时材料可在高温环境下使用。
本发明采用cvi工艺制备cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料，所制备的增强复合碳泡沫材料中sic纳米线规则填充于泡孔内部并支撑起泡孔结构，所制得的复合碳泡沫密度低，骨架细长且结构均匀可控，具有优异特性。
技术实现要素：
为实现本发明的目的所采用的技术方案是一种cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料及其制备方法，其特征在于由三维网状的碳泡沫和生长在碳泡沫上的sic纳米线构成，碳泡沫的泡壁截面为圆形、椭圆形或三角形，尺寸为1-10μm，碳泡沫的孔隙率为95～99.5％，碳泡沫的孔径大小为10-50μm，长径比为5～20，压缩强度为20～50kpa；所述sic纳米线为尖端带有金属球的β-sic纳米线，纯度≥99％，纳米线的直径为10～80nm，长度为0.5～50μm。
所述cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料的其制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：
(1)使用乙醇和催化剂配置成摩尔浓度为0.001～0.5mol/l的催化剂溶液；
(2)将碳泡沫依次放入丙酮和乙醇中进行超声波清洗10～20min后室温干燥；
(3)将步骤(2)中清洗后的碳泡沫放入步骤(1)所制备的催化剂溶液中浸渍5～60min后，在30～80℃下烘干5～24h，制得负载催化剂的碳泡沫；
(4)将步骤(3)中负载催化剂的碳泡沫放入cvi炉，并抽真空至0.1mpa压力后，向反应炉内通入反应源气体，于800～1300℃温度下，在碳泡沫上生长cvi-sic纳米线；其中，反应源气体为氩气、氢气、三氯甲基硅烷混合气体，氩气∶氢气∶三氯甲基硅烷的比例为10∶0.1～10∶0.01～5；
(5)在步骤(4)条件下反应0.5～10h后，关闭源气体，并随炉冷却至室温后，制得cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料。
所述步骤(5)所制备得的cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料的密度为5～20mg/cm3，sic质量分数为10～30％，压缩强度为0.4～0.8mpa。
本发明有益效果是(1)增强复合碳泡沫的密度低(5～20mg/cm3)，抗压性显著提高；(2)该材料可用于超级电容器，其纳米线交错的多孔复合骨架结构能够存储能源粒子，大大提高能源存储效率；(3)该材料由于纳米线与碳复合的骨架结构，使其具有超高的比表面积，亦可用于催化行业。
附图说明
图1为一种cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
一种cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料及其制备方法，其特征在于由三维网状的碳泡沫和生长在碳泡沫上的sic纳米线构成，碳泡沫的泡壁截面为三角形，尺寸为5μm，碳泡沫的孔隙率为95％，碳泡沫的孔径大小为15μm，长径比为20，压缩强度为30kpa；所述sic纳米线为尖端带有金属球的β-sic纳米线，纯度≥99％，纳米线的直径为10nm，长度为15μm。
所述cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料的其制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：
(1)使用乙醇和催化剂配置成摩尔浓度为0.5mol/l的催化剂溶液；
(2)将碳泡沫依次放入丙酮和乙醇中进行超声波清洗10min后室温干燥；
(3)将步骤(2)中清洗后的碳泡沫放入步骤(1)所制备的催化剂溶液中浸渍50min后，在80℃下烘干5h，制得负载催化剂的碳泡沫；
(4)将步骤(3)中负载催化剂的碳泡沫放入cvi炉，并抽真空至0.1mpa压力后，向反应炉内通入反应源气体，于1300℃温度下，在碳泡沫上生长cvi-sic纳米线；其中，反应源气体为氩气、氢气、三氯甲基硅烷混合气体，氩气∶氢气∶三氯甲基硅烷的比例为10∶10∶5；
(5)在步骤(4)条件下反应0.5后，关闭源气体，并随炉冷却至室温后，制得cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料。
所述步骤(5)所制备得的cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料的密度为8mg/cm3，sic质量分数为30％，压缩强度为0.7mpa。
实施例2
一种cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料及其制备方法，其特征在于由三维网状的碳泡沫和生长在碳泡沫上的sic纳米线构成，碳泡沫的泡壁截面为圆形，尺寸为5μm，碳泡沫的孔隙率为95.5％，碳泡沫的孔径大小为30μm，长径比为5，压缩强度为30kpa；所述sic纳米线为尖端带有金属球的β-sic纳米线，纯度≥99％，纳米线的直径为20nm，长度为35μm。
所述cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料的其制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：
(1)使用乙醇和催化剂配置成摩尔浓度为0.05mol/l的催化剂溶液；
(2)将碳泡沫依次放入丙酮和乙醇中进行超声波清洗20min后室温干燥；
(3)将步骤(2)中清洗后的碳泡沫放入步骤(1)所制备的催化剂溶液中浸渍5～60min后，在80℃下烘干24h，制得负载催化剂的碳泡沫；
(4)将步骤(3)中负载催化剂的碳泡沫放入cvi炉，并抽真空至0.1mpa压力后，向反应炉内通入反应源气体，于1200℃温度下，在碳泡沫上生长cvi-sic纳米线；其中，反应源气体为氩气、氢气、三氯甲基硅烷混合气体，氩气∶氢气∶三氯甲基硅烷的比例为10∶8∶0.5；
(5)在步骤(4)条件下反应0.5～10h后，关闭源气体，并随炉冷却至室温后，制得cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料。
所述步骤(5)所制备得的cvi-sic纳米线增强复合碳泡沫材料的密度为10mg/cm3，sic质量分数为25％，压缩强度为0.75mpa。
上述仅为本发明二个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。