高弹性、高密封性的多孔碳块体材料及其制备方法

本发明涉及碳材料制备，具体而言，涉及一种多孔碳块体材料及制备所述多孔碳块体材料的方法。

背景技术：

1、无机非金属材料通常是脆性的，其在室温下仅能展现出极小的弹性变形(通常小于1％)。当超过其弹性极限时，材料中的微裂纹将迅速扩展，导致材料的瞬间破坏。极差的变形能力严重地限制了无机非金属材料的应用范围。在现代材料设计中，设计与制造高强度、高弹性、低密度的高性能无机非金属材料是一个长期的目标和挑战。

2、由于碳具有形成sp、sp2、sp3杂化键的灵活性，因此可能成为具有优异综合性能的材料，例如低密度、高强度、高硬度、高弹性和可调的电子性能。通常来，可以通过构造多孔结构来获得低密度和高弹性的碳材料。例如，近期发展的碳基多孔材料，兼具了低密度和优异的弹性变形能力的优点。但是这些已知多孔材料的气孔是开放的，不具有气密性，且压缩强度一般不超过1mpa，限制了其应用范围。

技术实现思路

1、为了解决上述技术难题，本发明提供一种兼具高强度、高弹性、高密封性和低密度的碳材料，且本发明的碳材料能适应各种复杂环境。

2、一方面，本发明提供一种多孔碳块体材料，其中，

3、所述多孔碳块体材料的孔径范围为3-100nm；

4、所述多孔碳块体材料的孔隙率为50-87％；且

5、所述多孔碳块体材料中的孔为闭孔。

6、本发明的多孔碳块体材料例如可以使用无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒作为初始原料，通过放电等离子烧结或者热压方法合成。

7、在本发明多孔碳块体材料的一个实施方案中，所述多孔碳块体材料的孔径范围为3-100nm(例如为4-100nm或5-100nm)；优选地，所述多孔碳块体材料的孔径范围为5-70nm或5-50nm；更优选地，所述多孔碳块体材料的孔径范围为5-40nm或5-30nm。

8、在本发明多孔碳块体材料的一个实施方案中，所述多孔碳块体材料的的孔隙率为50-87％；优选地，所述多孔碳块体材料的的孔隙率56-82％；更优选地，所述多孔碳块体材料的的孔隙率60-80％。

9、在本发明多孔碳块体材料的一个优选实施方案中，所述无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒晶粒尺寸为5-400nm；优选地，所述无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒晶粒尺寸优选为5-350nm；更优选地，所述无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒晶粒尺寸为5-300nm。

10、在本发明多孔碳块体材料的一个优选实施方案中，所述多孔碳块体材料的压缩应变≥5％；更优选地，所述多孔碳块体材料的压缩应变≥6％；最优选地，所述多孔碳块体材料的压缩应变≥7％。此外，在本发明多孔碳块体材料的一个优选实施方案中，所述多孔碳块体材料的压缩应变在应力撤除后归零。

11、在本发明多孔碳块体材料的一个优选实施方案中，所述多孔碳块体材料压缩强度＞100mpa，更优选地，所述多孔碳块体材料压缩强度＞150mpa。

12、在本发明多孔碳块体材料的一个优选实施方案中，所述多孔碳块体材料的氦气泄露率≤10×10-5pa·m3/s；更优选地，所述多孔碳块体材料的氦气泄露率≤4×10-5pa·m3/s；最优选地，所述多孔碳块体材料的氦气泄露率≤2×10-5pa·m3/s。

13、在本发明多孔碳块体材料的一个优选实施方案中，所述多孔碳块体材料的密度为0.3-1.1g/cm3；更优选地，所述多孔碳块体材料的密度为0.4-1.0g/cm3；最优选地，所述多孔碳块体材料的密度为0.5-0.9g/cm3。

14、在本发明多孔碳块体材料的实施方案中，所述多孔材料以无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒为初始原料，通过放电等离子烧结或者热压方法合成。优选地，所述多孔材料的初始原料仅为无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒。在本文中，无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒为本领域已知的材料。在本发明多孔碳块体材料的一个优选实施方案中，无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒的晶粒尺寸为5-400nm，优选为5-350nm，更优选为5-300nm。

15、另一方面，本发明提供一种本发明第一方面的多孔碳块体材料的制备方法，包括：

16、a)以无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒作为前驱体粉末；

17、b)将步骤a)的前驱体粉末装入模具中，预压成型得到预压坯体；

18、c)将步骤b)得到的预压坯体放入烧结模具，然后将装有预压坯体的烧结模具一起放入烧结设备中，施加烧结压力，而后升温至烧结温度，保温，进行烧结，其中，

19、烧结压力为5-100mpa，

20、烧结温度为1000-2000℃；

21、d)取出模具，脱模，获得多孔碳块体材料。

22、在本发明方法的实施方案中，所用原料可为无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒。优选地，所用原料仅为无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒。在本文中，无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒为本领域已知的材料。在本发明方法的一个优选实施方案中，步骤a)的无定形碳包覆的金刚石纳米颗粒的晶粒尺寸为5-400nm，优选为5-350nm，更优选为5-300nm。

23、在本发明方法的一个优选实施方案中，步骤b)中预压成型为双向施加压力，所施加压力为1-20mpa，优选为2-15mpa，更优选为2-10mpa，最优选为2-5mpa。

24、在本发明方法的一个同样优选的实施方案中，步骤b)中预压成型的保压时间为1-20min，优选为1-15min，更优选为1-10min，最优选为1-5min。

25、在本发明方法的一个优选实施方案中，步骤c)中烧结压力为5-100mpa，优选为5-80mpa，更优选为10-70mpa，

26、在本发明方法的一个优选实施方案中，步骤c)中烧结温度为1000-2000℃，优选为1300-2000℃，更优选为1400-2000℃。

27、在本发明方法的一个优选实施方案中，步骤c)中升温速率为5-200℃/min，优选为8-150℃/min，更优选为10-100℃/min。

28、在本发明方法的一个优选实施方案中，步骤c)中保温时间为0-30min，优选为0-20min，更优选为0-15min。

29、在本发明方法的一个优选实施方案中，步骤c)中的烧结模具为石墨模具，且其中预压坯体与石墨模具之间用石墨纸隔开，石墨模具外围使用碳毡包裹。

30、在本发明方法的一个优选实施方案中，步骤c)中的烧结为放电等离子烧结或热压烧结。

31、在本发明方法的一个优选实施方案中，在步骤c)中，施加烧结压力之前任选地先施加2-10mpa的初始压力，抽真空至真空度高于1×10-1pa后，再施加烧结压力。

32、在本发明方法的一个优选实施方案中，在步骤c)中，待烧结压力稳定为预设值后，升温至烧结温度，保温，烧结。

33、优选地，在烧结完成后，在步骤d)之前，包括步骤c’)：待烧结完成后，冷却并卸压至常压，优选地，冷却速率为100-1000℃/min。

34、本发明第一方面所述多孔碳块体材料以及根据本发明第二方面所述方法制备的多孔碳块体材料的孔径小、孔隙率高并且是闭孔，因而，同时具有高强度和高弹性，且具有高气密性和低密度。特别地，本发明第一方面所述多孔碳块体材料以及根据本发明第二方面所述方法制备的多孔碳块体材料由于其高弹性和良好的气密性因而可以用作密封材料。