本发明涉及一种碳泡沫的制备方法，尤其是涉及一种孔径梯度变化的碳泡沫的制备方法，属于碳材料领域。
背景技术
梯度材料是为了适应新材料在高技术领域的需要，满足在极限环境下不断反复正常工作而开发的一种新型复合材料。其组成和结构沿厚度方向呈梯度变化，因此材料的性能也呈梯度变化。由于它具有较高的机械强度，抗热冲击，耐高温等优异的性能，一经提出就引起了世界各国研究学者的高度重视并对其展开了研究。对于低密度的泡沫材料通常粘接的方法来制备出具有叠层结构的梯度泡沫。但是使用粘接剂的，粘接界面会导致致密的粘接层的存在，泡沫梯度结构会遭到破坏。在粘接过程中施加压力时，也会对泡沫的薄壁结构有所破坏，从而影响泡沫强度。
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，呈类海绵状的新型炭质材料，具有低密度、高孔隙率、较大的比表面积、良好的吸附性能、较低的热膨胀系数和低热导系数等特点，可作为隔热材料，优质夹层材料，能力存储电极，能量吸收材料，催化剂载体和除臭除味剂等，在化工，航空航天和电子等领域均有着广泛的应用价值。
申请号为cn201710671166.x的专利提供了一种熔融石英梯度孔泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：（1）将熔融石英粉、水、水溶性树脂、分散剂搅拌2—4小时，得到熔融石英浆料；（2）将步骤（1）的浆料浸渍在聚氨酯海绵上，对辊挤出多余浆料，得到素坯，放入烘箱中干燥后得到干燥素坯；（3）将熔融石英陶瓷粉、水、分散剂和稳泡剂球磨3—6小时得到浆料，加入发泡剂，搅拌发泡得到泡沫浆料；（4）将步骤（3）的泡沫浆料涂覆在步骤（2）制备的干燥素坯，然后放入烘箱中干燥后升温到1100—1250℃烧结得到梯度孔熔融石英泡沫陶瓷；该发明制备的熔融石英梯度孔泡沫陶瓷实现孔径毫米级到微米级梯度变化，与传统泡沫陶瓷过滤片相比，具有更高的过滤精细、更强吸附杂质能力。
申请号为cn200710173126.9的专利提供了一种高强度煤焦油沥青碳泡沫材料的制备方法，将煤焦油沥青经过热解制备出中间相沥青，粉碎后加入甲苯溶液中萃取，干燥，再加入高压反应釜，抽真空升温到沥青软化点以上并充入惰性气体，在350-500℃的温度和6-80kg/cm2的压力下保持120-240分钟，释放压力，冷却到室温，得到沥青泡沫材料，将沥青碳泡沫材料在1300-1600℃氮气保护下，制得碳泡沫材料，碳泡沫压缩强度大于20mpa。
申请号为cn200910093957.4的专利提供了添加空心陶瓷球的碳泡沫隔热材料的制备方法：按原料配方在酚醛树脂中顺次加入表面活性剂、发泡剂和空心陶瓷微球，用机械搅拌和超声波振荡相结合的方式对混合物进行均匀分散；向分散均匀后的混合物中加入固化剂，搅拌后浇注到模具中发泡并且固化，得到酚醛泡沫；将酚醛泡沫去壳处理后，放入真空碳化炉中，在真空条件下以平均0.5℃/min的速率加热到800℃，得到碳泡沫隔热材料。该高温隔热材料具有质量轻，强度高，热导率低，热膨胀系数低，成本低和可设计性等优点
梯度碳泡沫与孔径均一的碳泡沫比较其制备过程和性能有着很大的差异，梯度碳泡沫是在碳泡沫的孔径随厚度做有规律的缩小或增大的碳材料，这是一种新型的碳泡沫。对于许多特殊应用场合是人们期望得到的一种碳材料。梯度碳泡沫与一般碳泡沫相比更具应用前景，其过滤阻力更低、分离效率更高，可作为高效过滤材料，此外还可作为了解决航空航天领域里热防护材料、热障材料和防热震结构材料。
技术实现要素：
本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种孔径梯度变化的碳泡沫的制备方法，包括以下顺序的步骤：
（1）在模具内依次平铺三层二氧化硅微球；下层厚度为10-30mm，二氧化硅微球直径为200-250μm，中层厚度为20-50mm，二氧化硅微球直径为200-150μm，上层厚度为10-30mm,二氧化硅直径为100-150μm；
（2）将高软化点石油沥青粉碎，研磨至15μm以下，然后与1-3wt%的有机添加剂、25-35wt%的水混合，形成均匀性浆料，有机添加剂为粘结剂、增稠剂和悬浮剂；
（3）将步骤（2）中的浆料沿模具壁加入到模具中，浆料液面高于最上层二氧化硅10-20mm；
（4）将步骤（3）中模具放入烘箱中进行干燥得到前驱体，将前驱体脱模取出；
（5）将步骤（4）中的干燥后的前驱体放入热解炉中，通入流动的氩气，以1-5℃/min升温至400-500℃，保温1-3h后随炉冷却至室温；然后通入0.5-1m3/h的空气，以0.2-0.8℃/min升温至300-400℃后随炉冷却至室温，然后以通入流动的氩气，以10-20℃/min升温至800-1200℃，保温1h后随炉冷却至室温；制得二氧化硅微球/碳泡沫复合材料；
（6）将步骤（5）制得的二氧化硅微球/碳泡沫复合材料，用氟化氢进行清洗，制得孔径梯度变化的碳泡沫。
本发明的有益技术效果在于：
（1）采用一次成型工艺无需使用粘接剂，制得碳泡沫性能更优异；（2）相比于孔径均一碳泡沫，梯度碳泡沫过滤阻力更低、分离效率更高，可作为过滤材料；（3）能适应航天器内外温度梯度差，可作为宇航技术的超耐热材料；（4）可以根据需要控制的碳泡沫的孔径梯度。
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
（1）在模具内依次平铺三层二氧化硅微球；下层厚度为22mm，二氧化硅微球直径为220μm，中层厚度为40mm，二氧化硅微球直径为160μm，上层厚度为25mm，二氧化硅直径为120μm；
（2）将高软化点石油沥青粉碎，研磨至15μm以下，然后与3wt%的有机添加剂、25wt%的水混合，形成均匀性浆料，有机添加剂为粘结剂、增稠剂和悬浮剂；
（3）将步骤（2）中的浆料沿模具壁加入到模具中，浆料液面高于最上层二氧化硅18mm；
（4）将步骤（3）中的模具放入烘箱中进行干燥得到前驱体，将前驱体脱模取出；
（5）将步骤（4）中的干燥后的前驱体放入热解炉中，通入流动的氩气，以2℃/min升温至400℃，保温2h后随炉冷却至室温；然后通入0.5m3/h的空气，以0.6℃/min升温至350℃后随炉冷却至室温，然后以通入流动的氩气，以15℃/min升温至850℃，保温1h后随炉冷却至室温；制得二氧化硅微球/碳泡沫复合材料；
（6）将步骤（5）制得的二氧化硅微球/碳泡沫复合材料，用氟化氢进行清洗，制得孔径梯度变化的碳泡沫。
制得的碳泡沫密度为6.347.68kg/m3，厚度为79.3mm，碳泡沫上部孔径小，下部孔径大，碳泡沫内部孔径存在从上至下的梯度变化，可作为梯度过滤材料，减小过滤阻力，能够提高过滤精度和过滤效率，并延长使用寿命。
实施例2
（1）在模具内依次平铺三层二氧化硅微球；下层厚度为25mm，二氧化硅微球直径为250μm，中层厚度为28mm，二氧化硅微球直径为170μm，上层厚度为20mm,二氧化硅直径为130μm；
（2）将高软化点石油沥青粉碎，研磨至15μm以下，然后与2.5wt%的有机添加剂、35wt%的水混合，形成均匀性浆料，有机添加剂为粘结剂、增稠剂和悬浮剂；
（3）将步骤（2）中的浆料沿模具壁加入到模具中，浆料液面高于最上层二氧化硅20mm；
（4）将步骤（3）中模具放入烘箱中进行干燥得到前驱体，将前驱体脱模取出；
（5）将步骤（4）中的干燥后的前驱体放入热解炉中，通入流动的氩气，以4℃/min升温至400-500℃，保温2h后随炉冷却至室温；然后通入0.5m3/h的空气，以0.8℃/min升温至380℃后随炉冷却至室温，然后以通入流动的氩气，以17℃/min升温至900℃，保温1h后随炉冷却至室温；制得二氧化硅微球/碳泡沫复合材料；
（6）将步骤（5）制得的二氧化硅微球/碳泡沫复合材料，用氟化氢进行清洗，制得孔径梯度变化的碳泡沫。
制得的碳泡沫上部孔径小，下部孔径大，密度为7.68kg/m3，厚度为66.7mm导热系数为0.568w/(m•k)可作为轻质航空隔热材料。
上述仅为本发明两个具体实施方式，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。