超低密度碳气凝胶的制备和性能研究.pdfVIP

超低密度碳气凝胶的制备与性能研究 杨曦‘王朝阳付志兵张厚琼焦兴利唐永建 (中国工程物理研究院激光聚变研究中心 四川绵阳621900) 碳气凝胶是一种具有三维纳米网络结构的轻质多孔碳材料。它保留了有机气凝胶高 比表面积、高孔隙率、孔径分布可以宏观调节等很多优良特性，化学稳定性优良，在光、 电、磁等方面都具有独特性能，在储氢1、超级电容器2-3、隔热材料4、激光聚变靶材 料5、催化剂和催化剂载体6等很多方面都有广泛应用。美国曾提出一种Z．PINCH靶的 概念设计，采用10rag／era3的碳气凝胶作为靶丸外部包裹层1。碳气凝胶是最轻的固体凝 聚态材料之一，孔隙率高达8098％，而国内现有报道的块状最低密度约在40mg／cm3。 为了扩展其应用范围，本研究通过改进凝胶制备工艺，制备密度更低的块状RF气凝胶 和碳气凝胶；并通过多种表征手段研究低密度碳气凝胶的结构、性能。这可以为深入研 究有机RF气凝胶和碳气凝胶的反应、生长机制提供有力证据；同时，此研究也有利于 进一步改进制备工艺，更好地控制气凝胶的结构和性能。 我们制备的碳气凝胶由间苯二酚．甲醛(1心)气凝胶碳化而得到，工艺在Pekala等 人8提出的方法上经过了改进以获得更低密度的气凝胶。制备方法是：将间苯二酚和甲 醛按一定比例溶解在蒸馏水中，加入一定量催化剂，溶解均匀后按制备的凝胶密度稀释 到所需体积。然后把所得溶液置于恒温水浴中一段时间，使其充分凝胶。湿凝胶经过一 定浓度三氟乙酸酸化与溶剂交换，再用液体二氧化碳流体干燥，得到RF气凝胶。RF 凝胶经过碳化处理，得到碳气凝胶。 要获得超低密度碳气凝胶，存在着诸多困难。制备的气凝胶密度越低，前驱凝胶溶 液浓度越小，凝胶速率越慢，制备周期长；密度小说明气凝胶的骨架不致密，强度低， 制备过程中容易收缩、塌陷，得不到相应密度的气凝胶。针对这些难点，研究中改进了 制备工艺，缩短了凝胶时间，减小了凝胶收缩率，获得了密度为10mg／cm3RF有机气凝 胶和密度20mg／cm3、孔隙率高达99％以上的碳气凝胶，结果重现性良好。图1是获得 的超低密度RF气凝胶和碳气凝胶样品的照片。用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显 微镜(TEM)、红外吸收谱仪、热分析仪、吸附仪等对样品进行了表征，研究了产物的 微观结构、热稳定性、孔结构、比表面积等多种性能。 43 a [瓯 l嘶酏一洳n刮哪3抽鸭蜒一 幽I超低密度RF气凝胶和碳气凝胶的照片