新型炭素材料——泡沫炭

然界中碳的存在形式多种多样，比如以单质存在的石墨，其碳原子排列规则；以非晶态碳存在的无定形碳；以及在石墨晶体结构与无定形碳之间存在的复杂中间结构（(含微晶）的物质即炭素材料。炭素材料与我们日常生活息息相关，在许多工业领域有着广泛应用。而作为一种功能型炭材料，泡沫炭以其优异的化学稳定性、热稳定性和强度高、导电性好、密度低等化学性能及物理性能引起人们广泛的关注。

什么是泡沫炭？

泡沫炭（CF）是一种由孔泡及孔壁组成的三维轻质功能性炭材料。一般以富炭物质为前驱体，经过发泡、固化、炭化及石墨化等过程制得。如今，国内外制备泡沫炭的前驱体主要以沥青、煤（及煤系物）和生物质为主。

根据制备原料以及方法的不同，泡沫炭主要有3种典型结构，分别是五边形十二面体结构、球形气孔状结构和球形泡超薄壁结构。

泡沫炭的典型微观结构

材料的结构决定其性能，碳质前驱体的差异导致所制备的泡沫炭具有不同的性能。有机聚合物基泡沫炭体积密度和机械强度低，但隔热性能优异；中间相沥青基泡沫炭开孔率较低，但力学性能优异，经石墨化后具有较高热导率。

整体而言，泡沫炭材料具有密度低、膨胀系数低、机械性能好、导热系数高、抗腐蚀、耐氧化的性能优势，在热管理、电磁屏蔽、电池电极、催化剂载体、吸附等材料以及民事领域有着极为广泛的应用，是一种极具发展前景的新型炭材料。

泡沫炭的应用

隔热/导热材料

泡沫炭材料因自身具备机械性能高、耐热性能强以及密度小等特征，其在航空航天领域得到广泛的应用。伴随着时代的不断进步，电子器件的集成度也随之提升，因为需要解决散热的问题，在组装的过程中需要寻找导热性能比较好的材料。正是因为泡沫炭材料的导热性能比较好，自身又是黑色，能够提高其抗辐射的能力，因此学者们开始纷纷对其进行更深入的研究。

电极材料

泡沫炭具有良好的导电性，作为电极材料主要应用于燃料电池电极和超级电容器电极材料。泡沫炭的网状开孔结构有利于在其中沉积活性物质，作为电池的正极或负极，兼具较高比表面积和强耐腐蚀性能。泡沫炭材料活化后比表面积大，孔道利用率可达100%，是理想的超级电容器电极材料。

相变储能材料

Ola O等通过真空渗透将石蜡/石墨烯纳米板复合材料嵌入到泡沫炭中，制备出具有良好的形状稳定性、导热性、结构稳定性的新型相变材料。泡沫炭在95%的应变下表现出良好的循环压缩性能，并在循环试验中保持了部分弹性性能，适用于储能领域。

吸附领域

泡沫炭丰富的孔道结构和超高的孔隙率，使其成为一种理想的吸附材料，在气体吸附、净化水质、油水分离等领域都有应用前景。

电磁屏蔽

泡沫炭具有良好的导电导热性和独特的孔道结构，通过散射和吸收使内部反射波减弱，是良好的结构型吸波材料。

传感

Liu M等在泡沫炭三维网络上原位制备一维氧化钴纳米线，该复合材料导电性强、传质快、表面积大，是一种非常有前途的电化学传感材料。

医学方面

可以利用泡沫炭强度高、生物惰性、多孔性，用于骨复位手术领域。

用作催化剂载体

泡沫炭独特的多孔结构、接触面积大、耐腐蚀性能好、热膨胀系数低及结构可控等优点使其作为催化剂载体有着广阔的前景。