KR20030009378A - 피치계 탄소 폼 및 이들의 복합체 및 용도 - Google Patents

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제임스 더블유. 클레트
티모시 디. 버첼
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Abstract

일반적으로 적어도 40W/m.K의 열 전도성을 가진 탄소 폼이 제공된다. 일반적으로 탄소 폼은 적어도 약 75W.cm3/m.°K.gm의 밀도로 분리된 열 전도성으로 정의되는 특이 열 전도성을 가진다. 또한 상기 폼은 일반적으로 적어도 약 6000m2/m3의 고 특이 표면적도 가진다. 상기 폼은 약 0.470 이하의 관련 피크 스플릿 요인이 특징적인 "더블릿" 100 및 101 피크들을 가진 X-선 회절 패턴이 특징적이다. 상기 폼은 흑연이고 실질적으로 등방성인 열 전도성을 나타낸다. 상기 폼은 실질적으로 타원형의 기공들을 포함하고 바람직하게, 그러한 기공들의 평균 직경은 약 340미크론 이하이다. 유익한 열 특성들을 폼에 부여하기 위해 상 변화 물질과 같은 다른 물질들이 기공에 주입될 수 있다. 열교환 장치 및 폼을 사용하는 증발성 냉각 열싱크도 기술된다.

Description

피치계 탄소 폼 및 이들의 복합체 및 용도{PITCH-BASED CARBON FOAM AND COMPOSITES AND USES THEREOF}
통상적인 탄소 섬유들의 특이한 물리적 특성들은 압출성형된 필라멘트의 독특한 흑연(graphitic) 형태에 의한다. Carbon Fibers, Filaments and Composites, Figueiredo(편집자), Kluwer Academic Publishers, Boston, pp. 43-72(1990), Edie, D.D.의 "Pitch and Mesophase Fibers" 참조. 현대 진보된 구조적 복합체들은 적절한 매트릭스에 의해 함께 유지된 흑연 필라멘트의 연결되지 않은 네트워크를 생산하는 것으로 이러한 특성들을 이용한다. 피치 전구물질로부터 유도된 탄소 폼은 도 1에서 처럼, 흑연 끈 또는 지주들이 서로 연결된 네트워크라고 생각될 수 있다. 서로연결된 네트워크들처럼, 그들은 구조적 조성 물질에서 보강제로서의 잠재적인 대안을 나타낸다. 탄소 폼을 생산하기 위한 일반적인 방법들은 피치가 용해되고 고압 영역에서 저압 영역으로 이동하는 피치 전구물질들의 폼을 생산하는 블로잉(blowing) 기술을 이용한다. 열역학적으로, 이는 "플래시"를 생산하고, 피치의 저분자량 화합물이 증발하게 하며(피치가 끓는), 피치 폼을 야기한다. Hagar, Joseph W. 및 Max L. Lake, "Novel Hybrid Composites Based on Carbon Foams"Mat. Res. Soc. Symp., Material Research Society, 270:29-34(1992), Hagar, Joseph W. 및 Max L. Lake, "Formulation of a Mathematical Process Model Process Model for the Foaming of a Mesophase Carbon Precusor",Mat. Res. Soc. Symp., Material Research Society, 270:35-40(1992), Gibson, L.J. 및 M.F.Ashby,Cellular Solids: Strictures & Properties, Pergamon Press, New York (1988), Gibson, L.J., Mat. Sci 및 Eng A110, 1(1989), Knippenberg 및 B. Lersmacher, Phillips Tech. Rev., 36(4), (1976) 및 Bonzom, A., P. Crepaux 및 E.J.Moutard의 미국 특허 제4,276,246호(1981) 참조. 피치 폼은 여러 시간 동안 대기(또는 산소) 중에서 가열하고 구조체를 가교시키며 탄화 중에 용융되지 않도록 "조정"하여 안정화되야 한다. Hagar, Joseph W. 및 Max L. Lake, "Formulation of a Mathematical Process Model Process Model for the Foaming of a Mesophase Carbon Precusor",Mat. Res. Soc. Symp., Material Research Society, 270:35-40(1992) 및 White, J.L., 및 P.M. Shaeffer,Carbon,27:697(1989) 참조. 이는 시간 소비 단계이고 필요한 부품 크기 및 장치에 좌우하는 고비용 단계가 될 수 있다. "조정" 또는 산화된 피치는 비활성 기체에서 1100℃의 높은 온도로 탄화되고, 흑연 탄소 폼을 제조하기 위해 3000℃의 높은 온도를 거친다.
다른 기술들은 페놀, 우레탄, 또는 이들과 피치와의 블렌드 등의 폴리머성 전구물질을 이용한다. Hagar, Joseph W. 및 Max L. Lake, "Idealized Strut Geometries for Open-Celled Foams,"Mat. Res. Soc. Symp., Material Research Society, 270:41-46(1992), Aubert, J.W.,(MRS Symposium Proceedings, 207:117-127(1990), Cowlard, F.C. 및 J.C. Lewis, J. of Mat. Sci., 2:507-512(1967) 및 Noda, T., Inagaki 및 S. Tamada, J. of Noncrystalline Solids, 1:285-302(1969) 참조. 고압을 가하고 샘플들을 가열한다. 특정 온도에서, 압력이 풀어져서, 휘발성 화합물들이 배출되기 때문에 액체를 폼으로 만든다. 폴리머성 전구체들은 경화되고 안정화 단계 없이 탄화된다. 그러나, 이러한 전구물질들은 흑연 구조를 나타내지 않는 "유리같은" 또는 유리질 탄소를 생산하고, 따라서, 저열 전도성 및 저 경직성을 갖는다. Hagar, Joseph W. 및 Max L. Lake, "Idealized Strut Geometries for Open-Celled Foams,"Mat. Res. Soc. Symp., Material Research Society, 270:41-46(1992) 참조.
다른 경우에서, 일단 폼이 형성되면, 분리 단계에서 복합체에서 사용된 페이스시트에 결합된다. 이는 폼을 사용하기 위한 고비용 단계일 수 있다.
본 발명의 공정은 폼을 생산하기 위해 "블로잉" 또는 "압력 배출" 기술을 필요로하지 않아 이러한 한계들을 극복한다. 게다가, 피치-계 탄소 폼을 생산하기 위해 사용된 다른 방법들과 같이, 산화 안정화 단계는 필요하지 않다. 이 방법은 덜 시간 소비적이고, 저비용적이며 제작하기 보다 쉽다. 게다가, 폼은 폼 표면에 고 열 전도성 탄소의 통합된 시트로 제조될 수 있고, 열 전이를 개선하기 위해 표면에평탄한 시트를 지닌 탄소 폼을 생산한다.
본 발명은 탄소성 전구물질로부터 유도된 열-전도성 폼 물질, 보다 상세하게 높은 열 전도성 및 열 교환 특성들을 가진 열 전도성, 피치-유도된 탄소 폼에 더 관한 것이다.
바람직하지 않은 열의 제거는 자주 접하는 문제이다. 통상적인 해결법으로는 냉각팬, 얼음팩 및 냉장 시스템 등이 있다. 냉장 시스템에 있어서, 작업 유체는 압축되고(농축되고) 확장 챔버 또는 파이프 시스템으로 펌프되는데, 유체는 증발되고, 그것의 증발 잠열을 만족시키기 위해 대기로부터 열을 끌어들여 주변 환경을 냉각시킨다. 열 교환을 통해 들어온 공기는 냉각되고 가정용 및 차량용 에어컨 시스템 처럼 보다 큰 용적을 냉각시키도록 순환될 수 있다.
일반적으로, 활성 냉각(냉장)은 펌프, 밸브, 압축기 등을 포함하는 복잡한 장치를 필요로한다. 많은 냉장 시스템들이 유해하고 환경적으로 적합하지 않은, CFCS(프레온)의 사용을 필요로한다. 높은 열 전도성 매제를 지닌 증발 냉각 시스템은 보다 단순하고 낮은 비용 선택을 제공한다. 야외 또는 제 3 국가에서 알맞게 사용되기 위해 가볍고 저렴한 이동식 냉각기가 필요하다.
본 발명의 열 전도성 탄소 폼은 종래 기술의 한계를 극복한다.
최근에 물체를 냉각하거나 가열하기 위해 많은 양의 열의 저장을 필요로 하는 많은 적용들이 있다. 일반적으로, 이러한 적용들은 냉각팬, 자연 대류, 또는 복사를 통한 일반적인 열소실이 급격히 열을 생산하여 충분히 빠르게 열, 및 과열된물체를 소실시킬 수가 없다. 이러한 문제를 완화시키기 위해, 열 싱크와 같은 큰 특이 열 용량을 지닌 물질은 가열될 때 물체와 접촉하여 놓인다. 가열 공정 중에, 열은 고온 물체로부터 열 싱크로 전이되고, 열 싱크의 온도가 상승함에 따라, 그것은 대류를 통해 환경으로 소실될 수 있는 것 보다 빠르게 열을 "저장"한다. 불행히도, 열 싱크의 온도가 상승함에 따라, 고온 물체로부터의 열 플렉스는, 두 물체사이에 보다 작은 온도 차이로 인해 감소한다. 따라서, 이러한 에너지 저장 방법이 여러 적용에서 많은 양의 열을 흡수함에도 불구하고, 모든 적용에 충분하지 않다.
열을 흡수하는 또 다른 방법은 온도의 변화보다 물질의 상변화를 통하는 것이다. 일반적으로, 물질의 상 변화는 물질의 열용량보다 두 배나 큰 열 에너지를 흡수한다. 예를 들어, 100℃에서 1g의 물의 증발은 2,439줄의 에너지를 흡수하는데 반하여, 물의 온도를 99℃에서 100℃로 변화시키는 것은 단지 4.21줄의 에너지만을 흡수한다. 다르게 말하자면, 579g의 물을 99℃에서 100℃로 올리는 것은 100℃에서 1g의 물을 증발시킬 때와 동일한 양을 흡수한다. 동일한 경향이 물질의 용융점에서 발견된다. 이러한 현상은 열 싱크가 작용하지 않는 상황에서 엄청난 양의 에너지를 흡수하거나 방출하기 위해 여러 적용에서 사용되어 왔다.
상 변화 물질의 고형 블록이 열을 흡수하기에 매우 큰 이론적 용량을 가짐에도 불구하고, 공정은 열 전이의 어려움 때문에 빠르지 않아서 특정 적용에서는 사용될 수 없다. 그러나, 높은 열 전도성 폼은 상기의 결함들을 극복한다. 고 전도성 폼이 상 변화 물질로 채워진다면, 공정은 매우 빠르게 될 수 있다. 폼의 지주에서 극히 높은 전도성으로 인해, 열이 폼의 표면과 접할 때, 상 변화 물질의 매우 큰표면적으로 폼 전체에 빠르게 전도된다. 따라서, 열은 상 변화 물질 전체에 매우 빠르게 분포되고, 온도를 변화시키지 않고 매우 빠르게 열 에너지를 흡수하거나 방출시켜서, 최대한으로 열 전이를 위한 구동력을 유지한다.
열 싱크는 빠른 열 생성이 발견되는 미사일 및 항공기와 같은 적용에서 에너지를 흡수하기 위해 우주 공간에서 사용되어 왔다. 고 용융열을 갖는 물질은 흑연 또는 일반적으로 알루미늄인 금속성 케이스에 넣어지고 열을 생성하는 물체와 접촉시켜 놓는다. 대부분의 상 변화 물질이 저 열 전도성을 갖기 때문에, 물질을 통한 열 전이율은 제한되지만, 이는 상 변화의 고 에너지 흡수력으로 상쇄된다. 열이 금속성 또는 흑연 케이스를 통해 상 변화 물질로 전도되기 때문에, 열원에 가장 가까운 상 변화 물질은 용융되기 시작한다. 상 변화 물질의 온도가 모든 물질이 용융될 때까지 변화지 않기 때문에, 열원으로부터 상 변화 물질로의 플럭스는 상대적으로 일정하게 남는다. 그러나, 열이 보다 많은 상 변화 물질을 용융시킴에 따라, 보다 많은 액체가 형성된다. 불행하게도, 액체는 훨씬 낮은 열 전도성을 갖고, 열 유동을 더 방해한다. 사실, 고체 및 액체상 변화 물질의 전체적인 저 열 전도성은 열 흡수율을 제한하기 때문에 시스템의 효율을 감소시킨다.
미국 정부는 미국 에너지 부서 및 록히드 마틴 에너지 리서치 코포레이션(Lockheed Martin Energy Research Corporation) 사이의 계약 번호 제 DE-AC05-96OR22464호에 준한 본 발명의 권리를 가진다.
본 발명은 탄소 폼 및 복합체, 및 보다 상세하게 그들을 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 탄소 끈 및 개구에 서로 연결된 일반적인 탄소 폼을 예시하는 현미경 사진이다.
도 2-6는 2500℃에서 흑연화된 피치-유도된 탄소 폼을 다양한 배율로 나타낸 현미경 사진들이다.
도 7은 본 발명의 공정으로 생산된 폼의 SEM 현미경 사진(도 27에 나타난)에 대한 도면이다.
도 8은 누적 점유 용적 대 기공 직경을 예시하는 차트이다.
도 9는 로그 미분 점유 용적 대 기공 직경을 예시하는 차트이다.
도 10은 휘발성 물질들이 생 피치로부터 발생되는 온도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 공정으로 제조된 흑연화된 폼의 X-선 분석이다.
도 12A-C는 알루미늄 도가니에서 생성된 폼 및 발전한 평탄한 구조체 또는 페이스 시트를 나타내는 사진들이다.
도 13A는 본 발명에 다라 제조된 탄소 폼 복합체의 생산을 나타내는 구성도이다.
도 13B는 본 발명의 탄소 폼 복합체의 사시도이다.
도 14-16은 본 발명에 다른 작업 유체의 증발로부터 야기된 탄소 폼의 온/시간을 구성한 차트이다.
도 17은 본 발명의 탄소 폼을 사용하는 한 가지 실시예를 나타내는 다이아그램이다.
도 18-21은 본 발명의 탄소 폼을 사용하는 다른 실시예를 나타내는 다이아그램이다.
도 22는 상 변화 물질로서 아세트산을 사용하여 음식을 해동하기 위한 열 싱크 장치의 단면도이다.
도 23은 원형 궤도 운행 중에 인공위성의 과열을 예방하기 위한 열싱크의 단면도이다.
도 24는 왕복 우주선의 선두 가장자리에 사용된 열싱크의 단면도이다.
도 25는 4℃/분 및 10℃/분에서 흑연화된 흑연 폼에서 유도된 ARA24 중간 상에 대한 밀도의 함수로서 열 전도성을 구성하는 차트이다.
도 26은 10℃/분에서 흑연화된 흑연 폼에서 유도된 코노코 중간 상에 있어서밀도의 함수로서 열 전도성을 구성하는 차트이다.
도 27은 본 발명의 탄소 폼의 샘플을 SEM 이미지로 찍은 사진이다.
도 28은 셀 사이에 개구 내부연결들을 나타내고 내부연결 직경은 셀 직경의 약 절반이고, 일반적으로 셀 직경의 40~60% 정도인지를 나타내는 본 발명의 탄소 폼의 샘플의 SEM 이미지로 찍힌 사진이다.
발명의 요약
본 발명의 일반적인 목적은 신테틱, 석유 또는 석탄-타르계 피치와 같은 중간 상 또는 등방성 피치로부터 탄소 폼 및 복합체를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 산화 안정화 단계를 필요로하지 않는 피치로부터 탄소 폼 및복합체를 제공하는 것이다.
이것 외에 다른 목적들은 탄소 폼을 생산하는 방법으로 달성되는데, 적절한 몰드 형태가 선택되고 바람직하게 적절한 이형제는 몰드의 벽에 적용된다. 피치는 몰드에 적절한 레벨로 도입되고 몰드는 진공을 적용하여 공기가 정화된다. 선택적으로, 비활성 유체가 사용될 수 있다. 피치는 바람직하게 약 50℃에서 피치의 유화점 이상인 100℃인 액체로 피치를 융합하기에 충분한 온도까지 가열된다. 진공은 풀리고 비활성 유체가 약 1000psi까지 고정 압력에 적용된다. 피치는 가스가 피치를 방출하고 포밍하기에 충분한 온도까지 가열된다. 피치는 피치를 코크스화 하도록 충분한 온도까지 더 가열되고 피치는 동시에 점진적인 압력의 방출로 실온으로 냉각된다.
또 다른 양태에서, 상기 기술된 단계들은 용융된 피치들이 습윤되지 않게 하는 물질로 구성된 몰드에 사용된다.
또 다른 양태에서, 평탄한 전반적인 페이스시트를 지닌 폼 생성물을 포함하는 여기서 기술된 방법으로 생산된 탄소 폼 생성물로 목적들이 달성된다.
여전히 또 다른 양태에서, 탄소 폼 복합체 제품은 본 발명의 공정에 의해 제조된 탄소 폼에 페이스시트를 접착시켜 제조된다.
본 발명의 또 다른 목적은 열 전도성 탄소 폼을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 열 전도성 탄소 폼을 사용하여 냉각 효과를 생성하는 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 탄소 폼 코어를 사용하는 열 교환 장치를 제공하는 것이다.
이러한 여러 목적들은 열 전도성, 피치 유도된 탄소 폼으로 한 가지 실시예에서 달성된다.
한 가지 양태에서, 폼은 개방 셀 끈 구성물을 가진다.
또 다른 실시예에서, 목적물체들은 냉각 효과를 생성하는 방법으로 달성되는데, 열 전도성, 피치 유도된 탄소 폼이 선택된다. 상기 폼은 증발액과 접촉하여, 증발액의 증발이 초래된다.
또 다른 실시예에서, 목적들은 열 전도성, 피치 유도된 탄소 폼 코어를 가진 열 교환 장치로 달성된다. 유체 불침투성 코팅물은 폼 코어의 부분을 커버하고 일부는 노출시킨다. 노출된 부분은 증발액에 있어서 접근 및 출구를 제공한다.
또 다른 양태에서, 코어에 연결된 유제의 상부 및 하부 저장기들, 및 하부 저장기에서 상부 저장기로 증발액을 이송시키기에 적합한 상부 및 하부 저장기에 연결된 유체의 펌핑 장치가 있다.
또 다른 양태에서, 탄소 폼은 컬럼들 사이의 공간에 냉 저장 용기를 제공하기 위해 분리 컬럼에 위치한다.
또 다른 양태에서, 폼 및 열 전이 유체 사이의 관련 이동은 폼을 이동시켜 증발액의 존재 또는 부재로 발전되어, 증발을 가속시키고 냉각 효과를 증가시킨다.
여전히 또 다른 양태에서, 본 발명의 목적은 상 변화 물질로 채워진 강화된 높은 열 전도성 다공성 탄소폼의 생산으로, 많은 양의 열 에너지는 저장되고 매우 빠르게 방출된다. 상 변화 물질(PCM)으로 채워진 다공성 폼은 상 변화 물질의 온도가 장치의 작업 온도에 가깝게 유지되게 하는 상 변화 물질로 열을 이끈다. 열이컴퓨터 칩, 대기를 통한 재진입으로 인한 파편, 또는 햇빛과 같은 방사로부터 표면에 가해지기 때문에, 폼 전반에 걸쳐 상 변화 물질에 빠르고 균일하게 전도된다. 물질은 상을 변화시킬 때, 융합 또는 증발의 잠열의 이전으로 인해 비-PCM 물질 보다 많은 차수의 에너지를 흡수한다. 반대로, 채워진 폼은 냉동 물체와 접하여 놓일 때 빠르게 에너지를 방사하도록 사용될 수 있다.
여기서 기술된 비-한계 실시예들은 냉동 식품을 빠르게 해동하거나 해동된 식품을 냉동시키기 위한 장치, 인공위성의 과열을 예방하거나 그것들이 궤도를 선회하는 중에 순환 열을 경험할 때 열 에너지를 저장하는 디자인, 및 극초음속 비행기 또는 우주로부터의 재진입 중에 선두 가장자리를 냉각하기 위한 디자인이다.
본 발명의 탄소 폼 제품 및 복합체를 나타내기 위해, 하기의 실시예 I-XIX가 설명된다. 그것들은 어떠한 방법으로도 본 발명을 제한하지 않는다.
실시예 I:
피치 분말, 그래뉼, 또는 펠렛들은 바람직한 최종 폼 모양의 몰드에 놓인다. 이러한 피치 물질들은 바람직하다면 용매화될 수 있다. 이 실시예에서, 미쯔비시(Mitsubishi)ARA-24 중간 상 피치가 사용되었다. 적절한 몰드 이형제 또는 필름은 일부를 제거하도록 몰드의 면에 적용된다. 이러한 경우에서, 붕소 질화물 스프레이 및 드라이 흑연 윤활유는 몰드 이형제로 개별적으로 사용된다. 몰드가 순수 알루미늄으로부터 만들어진다면, 어떠한 몰드 이형제도 용융된 피치가 알루미늄을 습윤시키지 않기 때문에 필요하지 않고, 따라서 그들은 몰드 이형을 필요로 하지 않는다. 샘플은 1 torr 이하까지 압력이 낮춰지고 온도를 약 50~100℃의 유화점 이상으로 가열한다. 미쯔비시 ARA24 중간 상 피치가 사용된 경우에서, 300℃가 충분하다. 이 점에서, 진공은 질소 블랑켓으로 풀어지고 1000psi까지의 압력이 적용된다. 시스템의 온도는 800℃, 또는 약 500~1000℃인 피치를 코크스화하기에 충분한 온도까지 상승된다. 이는 약 5℃/분 이하, 바람직하게 2℃/분의 비율로 수행된다. 이 온도를 확실한 소크(soak)를 달성하도록 적어도 15분동안 유지하고 용광로 동력을 끈 후 실온가지 냉각시킨다. 바람직하게, 폼을 약 2psi/분의 비율로 압력을 풀면서 약 1.5℃/분의 비율로 냉각시킨다. 세 가지 제품 작업을 위한 최종 폼 온도는 500℃, 630℃ 및 800℃이다. 냉각 순환 중에, 압력은 점차 대기 조건으로 풀린다. 폼은 질소 블랑켓 하에 1050℃(탄화된)까지 열처리되고 아르곤 하의 분리 작업에서 2500℃ 및 2800℃(흑연화된)까지 열처리된다.
본 기술로 제조된 탄소 폼은 현미경사진, 스캐닝 전자 현미경(SEM), X-선 분석, 및수은 측정법(porisimetry)으로 실험하였다. 도 2-7에서 나타낼 수 있는 것처럼, 교차-극성화된 빛 하에 등색의 영역을 강조한 간섭 패턴들은 폼의 지주들이 완전히 흑연화되었음을 나타낸다. 또한, 이러한 지주들은 크기도 유사하고 폼 전반에 걸쳐 서로 연결된다. 이는 폼이 고 경직성 및 우수한 강도를 가짐을 나타낸다. 폼의 SEM 전자현미경 사진으로 도 7에서 나타낸 바와 같이, 폼은 다공성이 닫히지 않은 개방 세포를 의미한다. 도 8 및 9는 수은 측정법 테스트의 결과들이다. 이러한 테스트들은 기공 크기가 90~200미크론 범위에 있다고 나타낸다. 생 피치의 열중량측정 연구는 휘발성 물질이 방출되는 온도를 측정하기 위해 수행된다. 도 10에서 나타낸 바와 같이, 피치는 약 420~480℃의 온도 범위에서 상당히 빠르게 질량의 20%를 소실한다. 이는 대기압에서 수행됨에도 불구하고, 1000psi 압력의 부가는 명백하게 이러한 영향을 바꾸지 않는다. 따라서, 압력이 1000psi인 반면, 가스들은 420~480℃의 온도 범위에 걸친 가열 중에 방출된다. 가스들은 용융된 피치상에 포밍 효과(끓는 것과 같은)를 생성한다. 온도가 500~1000℃(특정 피치에 좌우하여) 범위로 더 증가됨에 따라, 포밍된 피치는 코크스화 되고(또는 굳은), 따라서 피치로부터 유도된 고형 폼을 생성한다. 따라서, 포밍은 압력 방출 전에 발생하기 때문에, 이 방법은 종래 기술과 매우 다르다. 폼으로부터 샘플들은 열 전도성을 측정하기 위한 시범으로 절단된다. 벌크 열 전도성은 58W/m.K~106W/m.K의 범위이다. 샘플들의 평균 밀도는 0.53g/cm3이다. 중량이 계산될 때, 피치 유도 폼으로부터 특정 열 전도성은 구리보다 4배가 더 크다. 더 이상의 유도물은 지주들의 열 전도성이 약 700W/m.K로 계산되도록 사용될 수 있다. 이는 동일한 ARA24 중간 상 피치로부터 제조된 높은 열 전도성 탄소 섬유와 비교할 만하다.
폼의 X-선 분석은 물질의 결정질 구조체를 측정하도록 수행된다. X-선 결과들은 도 11에 나타나 있다. 이 데이터들로 부터, 그라펜 층 간격(d002)은 0.336nm로 측정된다. 밀착 길이(La, 1010)은 203.3nm로 선회 높이는 442.3nm로 측정된다.
샘플들의 압축 길이는 3.4MPa이고 압축 모듈은 73.4MPa로 측정된다. 폼 샘플은 쉽게 절단되고 손상 없이 쉽게 다뤄지고, 우수한 강도를 나타낸다.
피치가 유사한 방법으로 가열될 때, 단지 대기압 하에서, 피치는 압력 하에 있을 때 보다 엄청나게 폼을 더 많이 생산한다. 사실, 결과적인 폼은 테스트를 수행하기 위해 다뤄질 수 없을 만큼 매우 약하다. 압력하의 몰딩은 셀의 성장을 제한시키고 유용한 물질을 생산하다.
실시예 II:
실시예 I의 방법에 대한 대안은 알루미늄으로부터 제조된 몰드를 사용하는 것이다. 두 개의 몰드가 사용되는 경우는 알루미늄 중량 접시 및 분할된 소다 캔인 경우이다. 실시예 I에서 설명된 바와 같이 공정은 최종 코크스화 온도가 알루미늄의 용융을 예방하기 위해 단지 630℃인 것을 제외하고는 동일하게 사용된다.
도 12A-C는 복잡한 모양의 폼을 생산하기 위해 복잡한 형상 몰드를 사용하는 능력을 나타낸다. 도 12A에서 나타내는 것처럼, 한 가지 경우에서, 소다 캔의 상부는 제거되고 잔여 캔은 몰드로써 사용될 수 있다. 어떠한 이형제도 필요하지 않다. 결과적인 부분의 모양이 심지어 2800℃의 흑연화 후에도 소다 캔의 모양을 따르는 것을 주지하라. 이는 폼의 차원 안정성 및 거의 실제 형상 부분을 생산하는 능력을 나타낸다.
알루미늄 중량 접시를 사용하는 도 12B및 C에서 나타낸 바와 같이, 두 번째 경우에서, 매우 평탄한 표면은 알루미늄과 접한 표면상에 형성되었다. 이는 용융된 피치가 알루미늄의 표면을 습윤시키지 않는 다는 사실에 직접적으로 기여한다. 이것은 열 전달을 결합하거나 개선시키기 위한 접촉면을 향상시키기 위해 평탄한 표면을 지닌 복잡한 형상 부분의 제조를 가능하게 한다. 이러한 평탄한 표면은 페이스 시트로써 작용하고, 따라서, 폼-코어 복합체는 페이스 시트의 제작과 더불어 제작될 수 있다. 그것이 통합적인 물질로서 함께 제작되기 때문에, 어떠한 경계면도 결과를 접합시키지 않고 열 스트레스는 보다 적으며 보다 강한 물질을 야기한다.
하기의 실시예들은 본 발명의 폼을 사용하는 복합체 물질의 생산을 나타낸다.
실시예 III:
피치 유도 탄소 폼은 실시예 I에 기술된 방법으로 제조된다. 도 13A에서, 탄소 폼(10)은 블럭 2"x2"x1/2"으로 절단된다. 역시 2"x2"x1/2"의 Hercules AS4 탄소 섬유 및 ICI Fibirite 폴리에테르에테르케톤 열가소성 수지로 구성된 프리페그(prepeg)의 두 조각 (12) 및 (14)는 폼 샘플의 상부 및 하부 상에 놓이고, 모두 흑연 플런저(18)로 압축하기 위해 매치된 흑연 몰드(16)에 위치한다. 복합체 샘플은 100psi의 적용된 압력 하에서 5℃/분의 비율로 380℃의 온도까지 가열된다. 복합체는 다시 100psi의 압력하에서 650℃까지 가열된다. 일반적으로, 폼 코어 샌드위치 판넬은 2800℃까지 흑연화되고, 표면에 접합된 탄소-탄소 페이스시트를 지닌 폼을 야기한다. 일반적으로, 복합체(30)은 도 13B에서 나타난다.
실시예 IV:
피치 유도 탄소 폼은 실시예 I에서 기술된 방법으로 제조된다. 그것은 2"x2"x1/2"으로 절단된다. 2"x2"x1/2" 크기의 두 조각의 탄소-탄소 물질은 옥시덴탈 케미칼 코포레이션(Occidental Chemical Co.)사로부터 입수 가능한 50%의 에탄올, 50%의 페놀 DurezResin 의 혼합물로 가볍게 코팅된다. 폼 블럭 및 탄소-탄소 물질은 함께 놓이고 실시예 III에서 나타낸 바와 같은 몰드에 놓인다. 샘플은 5℃/분의 비율로 150℃까지의 온도로 가열되고 14시간 동안 그 온도에서 소크된다. 샘플은 1050℃까지 질소 조건에서 탄화되고 2800℃까지 흑연화되며, 표면에 접합된 탄소-탄소 페이스시트를 지닌 폼을 생산한다. 또한, 이는 도 13B에서 (30)으로 표현된다.
실시예 V:
피치 유도 탄소 폼은 실시예 I에서 기술된 방법으로 제조된다. 폼 샘플은 100시간 동안 화학 증기 침투 방법으로 탄소를 스며들게 한다. 밀도는 1.4g/cm3까지 증가되고, 굴곡 강도는 19.5MPa이며, 굴곡 모듈은 2300MPa이다. 생 폼의 열 전도성은 58W/m.K이고 침투된 폼의 열 전도성은 94W/m.K이다.
실시예 VI:
피치 유도 탄소 폼은 실시예 I에서 기술된 방법으로 제조된다. 폼 샘플은 진공 주입 방법으로 에폭시를 스며들게 한다. 에폭시는 150℃에서 5시간 동안 경화된다. 밀도는 1.37g/cm3까지 증가되고, 굴곡 강도는 19.3MPa으로 측정된다. 금속, 세라믹, 플라스틱 또는 섬유 강화 플라스틱 등의 다른 물질들은 수용 가능한 특성들을 지닌 폼 코어 조성 물질을 생산하기 위해 본 발명의 폼의 표면에 접합될 수 있음이 명백하다. 세라믹, 또는 유리, 또는 다른 물질들이 침수를 위해 폼으로 주입될 수 있음이 분명하다.
탄소 폼 물질로부터의 자료들을 취한 데이터를 기초로하여, 여러 관찰들이 만들어질 수 있고 본 발명의 중요한 특성들은 다음과 같다:
1. 피치-계 탄소 폼은 산화 안정화 단계없이 생산될 수 있어서 시간 및 경비를 절감시킨다.
2. 폼의 지주에서 고 흑연 정렬은 2500℃까지 흑연화에 따라 좌우되고, 따라서 높은 열 전도성 및 경직성은 폼으로 나타내지며, 그것들을 열 적용을 위해 코어물질로 적합하게 만든다.
3. 높은 압축 강도는 중간 상 피치-계 탄소 폼으로 달성돼야 하고, 그것들을 구조적인 적용을 위한 코어 물질로 적합하게 만든다.
4. 폼 코어 복합체는 폼이 생성됨에 따라 동시에 제작될 수 있어서, 시간 및 경비를 절감시킨다.
5. 견고한 모놀리스 예비성형은 세라믹 및 탄소 침투의 화학 증기 침투 방법으로 침수에 적합한, 명백한 개방 다공성을 지니도록 제조될 수 있다.
6. 견고한 모놀리스 예비성형은 활성에 적합한, 명백한 개방 다공성을 지니도록 제조될 수 있다.
7. 적용된 압력을 다양하게 하여, 포밍 중에 형성된 거품들의 크기가 변화하여, 밀도, 강도, 및 다른 특성들이 달성될 수 있음이 명백하다.
또한, 하기의 대안적인 절차 및 제품들은 본 발명의 공정으로 달성될 수 있다.
1. CVI 또는 용융물 주입으로 침수를 위한 복잡한 형상으로 예비성형물의 제작.
2. 활성화된 탄소 모놀리스.
3. 광학적 흡착.
4. 저 밀도 열 요소들.
5. 방화벽 물질.
6. 고-에너지 물리적 적용에 있어서 낮은 이차 전자 방출 타겟.
본 발명은 구조 및 열적 복합체를 위한 피치-계 탄소 폼의 제작을 제공하는 것이다. 공정은 신티텍, 석유, 또는 석탄-타르계일 수 있는 중간 상 또는 등방성 피치로부터 흑연 폼의 제작에 관한 것이다. 이러한 피치들의 블렌드도 사용될 수 있다. 단순화된 공정은 고압 고온 용광로를 사용하고, 산화 안정 단계를 필요로 하지 않는다. 폼은 기공 크기의 상대적으로 균일한 분포(=100미크론), 매우 작은 막힌 다공성, 및 약 0.53g/cm3의 밀도를 가진다. 중간 상 피치는 폼 구조체의 지주를 따라 스트레치되고 지주에서 높게 정렬된 흑연을 생산한다. 이러한 지주는 매우 고가의 고 성능 탄소 섬유와 유사한 열 전도성 및 경직성을 나타낸다(P-120 및 K1100). 따라서, 폼은 매우 낮은 밀도(=0.5g/cc)에서 고 경직성 및 열 전도성을 나타낸다. 이러한 폼은 열 및 구조적 적용을 위한 고온 샌드위치 판넬용 코어 물질로서 적절하게 형성될 수 있고, 제작 시간을 줄인다.
등방성 피치를 사용하여, 결과적인 폼은 고표면적 활성 탄소를 생산하도록 쉽게 활성화될 수 있다. 활성화된 탄소 폼은 마모, 채널링, 및 큰 압력 하강과 같은 그래뉼과 관련된 문제들을 경험하지 않는다.
본 발명의 고 열전도성 탄소 폼은 증기적으로 냉각된 열 싱크 또는 열 교환기를 제공하도록 사용될 수 있다. 중간 상 피치로부터 유도되고 도 2-7에서 표현된 것처럼, 탄소 폼은 셀 벽/끈에 작업 유체가 접근하게 하는 개방 구조를 가진다. 작업 유체가 셀 표면과 접촉할 때, 증발되고, 증발 잠열은 탄소 폼의 냉각을 일으킨다. 냉각의 정도는 작업 유체 및 주위 조건(온도 및 압력)에 좌우한다. 열 싱크/교환기 온도는 1200미크론 Hg의 압력에서 작업 유체로서 아세톤을 사용하여 223K(-50℃) 이하로 떨어진다. 탄소 폼에 걸린 강화된 공기 유동은 주위 조건에서 관찰된 것보다 온도 하강이 증가된다. 여기서 기술된 열 싱크/열 교환기는 개인적인/바디 냉각 정장, 이동식 냉장 시스템 또는 냉각기, 및 에어컨 시스템(가정용 및 차량용)등과 같은 열 제거 시스템에 적용됨을 발견한다.
하기의 실시예들은 아세톤, 에탄올 및 물로 대표되는 다른 작업 유체들과 접촉될 때 상기 기술된 탄소 폼상에 증발 냉각 효과를 나타낸다. 이러한 실시예들은 어떠한 방법으로 본 발명을 제한하지 않는다. 포밍된 탄소는 흠뻑 젖거나 작업 유체에 부분적으로 침지된다. 작업 유체로부터 제거될 때, 실시예 VII-X에서 나타낸 것 처럼, 폼 샘플은 폼 샘플을 침투시키는 써모커플로 진공 용광로에 놓인다. 폼 온도는 시간 및 압력(진공)의 함수로서 모니터된다. 주위 실험실 온도는 약 21℃이다.
실시예 VII: 아세톤
시간(분) 압력(Torr) 온도(℃)
0 740 13.5
1 29 -37.5
2 29 -46.7
3 1.2 -51.8
4 1.2 -53.4
샘플들이 진공 용광로로부터 제거될 때, 용광로 대기로부터 응축된 수분으로 얼음이 형성되거나, 폼으로부터 탈착된다.
실시예 VIII: 에탄올
시간(분) 압력(Torr) 온도(℃)
0 740 20.5
1 29 5.3
2 29 -14.7
3 1.2 -21.7
4 1.2 -25.1
5 1.1 -26.8
6 1.0 -28.6
실시예 IX: 물
시간(분) 압력(Torr) 온도(℃)
0 740 20.5
1 29 16.4
2 29 16.5
3 29 16.6
4 29 14.6
5 29 12.9
6 29 10.5
7 29 2.6
8 29 -1.5
9 29 -5.5
실시예 IX의 예에서, 샘플은 폼이 포화되는 것을 확실히 하도록 진공 상태에서 물에 침지된다. 아마도 이것은 과량의 물이 샘플을 침투시키게 하고 증발에서 이용 가능한 노출된 폼 표면을 감소시킨다. 따라서, 용광로에서의 결과적인 높은 물 의 부분 압력은 그것을 적당한 시간에 우수한 진공에 도달하는 것을 불가능하게 만든다. 결론적으로. 실험은 실시예 X에서 반복되지만 폼에 상당히 적은 물이 적용된다.
실시예 X: 물(반복)
실시예 VII: 아세톤
시간(분) 압력(Torr) 온도(℃)
0 740 19.9
1 29 14.5
2 29 0.3
3 29 -5.5
이러한 경우에서, 영도 이하의 온도는 실시예 IX에서 보다 훨씬 짧은 시간에도달한다.
실시예 VII, VIII 및 X에서의 데이터는 도 14에서 구성된다. 관찰된 가장 낮은 온도(-53.4℃)는 작업 유체로서 아세톤을 사용하여 4분 안에 달성되었다. -24.1℃ 및 -5.5℃의 온도는 작업 유체가 각각 에탄올 및 물일 때 동일한 시간에 달성된다.
실시예 XI-XIII에서 설명된 일련의 테스트들은 대기압 및 다기 온도에서 증기적 냉각 효과를 나타내기 위해 수행된다. 포밍된 탄소 샘플을 페트리 접시에 놓는다. 써모커플은 폼으로 절단된 홀에 자리한다. 탄소 폼을 페트리 접시의 바닥이 작업 유체로 완전히 덮일 때까지 작업 유체로 적신다. 결과적인 폼 온도는 시간의 함수로 나타낸다.
실시예 XI: 아세톤
시간(분) 온도(℃) 시간(분) 온도(℃)
0 21.7 19 3.4
1 15.7 20 3.2
2 13.6 21 3.0
3 11.5 22 2.9
4 10.3 23 2.7
5 8.9 24 2.6
6 8.0 25 2.4
7 7.3 26 2.3
8 6.6 27 2.1
9 6.1 28 2.0
10 5.7 29 1.8
11 5.3 30 1.6
12 4.9 31 1.4
13 4.5 32 1.3
14 4.3 33 1.1
15 4.1 34 1.0
16 3.9 35 0.8
17 3.7 36 0.7
18 3.5 37 0.6
38 0.5
38분 후에, 페트리 접시에서나 탄소폼 샘플에서 아세톤은 보이지 않는다. 샘플을 건조시키기 위해 60℃에서 공기 순환가 순환되는데 놓이고 실온으로 냉각시킨다.
실시예 XII: 에탄올
시간(분) 온도(℃) 시간(분) 온도(℃)
0 21.6 19 15.4
1 20.3 20 15.3
2 19.6 21 15.1
3 19.0 22 15.0
4 18.6 23 15.0
5 18.1 24 14.9
6 17.8 25 14.8
7 17.4 26 14.8
8 17.1 27 14.8
9 16.9 28 14.7
10 16.7 29 14.7
11 16.5 30 14.6
12 16.3 31 14.6
13 16.2 32 14.6
14 16.0 33 14.5
15 15.8 34 14.5
16 15.7 35 14.4
17 15.6 36 14.4
18 15.5 37 14.4
38 14.3
38분 후에, 페트리 접시의 바닥에서 명백한 양의 에탄올이 발견된다. 샘플을 건조시키기 위해 60℃에서 공기 순환가 순환되는데 놓이고 실온으로 냉각시킨다.
실시예 XIII: 물
시간(분) 온도(℃) 시간(분) 온도(℃)
0 20.9 19 19.3
1 20.3 20 19.3
2 20.2 21 19.3
3 20.1 22 19.2
4 19.9 23 19.2
5 19.8 24 19.1
6 19.7 25 19.1
7 19.6 26 19.1
8 19.5 27 19.1
9 19.5 28 19.1
10 19.5 29 19.1
11 19.5 30 19.0
12 19.5 31 19.0
13 19.5 32 19.0
14 19.4 33 19.0
15 19.4 34 18.9
16 19.3 35 18.9
17 19.3 36 18.9
18 19.3 37 18.9
38 18.9
추가로 물을 탄소폼 샘플에 내뿜는다.
38분 후에, 페트리 접시의 바닥에서 명백한 양의 에탄올이 발견된다. 시간의 함수로서 구성된 탄소폼의 온도는 도 15에서 나타난다. 최저 온도는 진공상태에서 증발이 발생하는 이전 실시예에서 보다 세 개의 작업 유체에 있어서 더 높다. 게다가, 온도 감소율은 실온 조건에서 세 개의 작업 유체에 있어서 보다 훨씬 적다. 달성된 가장 낮은 온도(0.5℃)는 작업 유체로서 아세톤으로 38분 안에 달성된다. 유사한 시간에 걸쳐 달성된 가장 낮은 온도는 에탄올과 물에 있어서 각각 14.3℃ 및 18.9℃이다.
테스트의 세 번째 시리즈는 증발 냉각 공정 중에 강화된 공기 유동의 폼 온도에 효과를 결정하도록 수행된다. 일련의 실험에서 팬이 폼 및 페트리 접시를 거쳐 실온의 공기를 불어넣는데 사용되는 것을 제외하고 이전 실시예에서 설명된 절차들이 뒤따른다.
실시예 XIV: 강화된 공기 유동을 지닌 아세톤
시간(분) 온도(℃) 시간(분) 온도(℃)
0 21.5 4 -2.8
1 5.2 5 -3.2
2 -0.9 6 -3.5
3 -2.9 7 -3.7
페트리 접시는 추가 아세톤으로 자주 보충된다.
실시예 XV: 강화된 공기 유동을 지닌 에탄올
시간(분) 온도(℃) 시간(분) 온도(℃)
0 21.1 6 9.1
1 14.6 7 8.9
2 11.5 8 8.7
3 10.8 9 8.8
4 9.7 10 8.9
5 9.3
페트리 접시의 에탄올은 즉시 보충한다.
실시예 XVI: 강화된 공기 유동을 지닌 물
시간(분) 온도(℃) 시간(분) 온도(℃)
0 21.1 8 15.0
1 18.7 9 14.9
2 17.1 10 14.8
3 16.5 11 14.8
4 15.9 12 14.7
5 15.6 13 14.7
6 15.3 14 14.7
7 15.1 15 14.6
실시예 XIV, XV 및 XVI로부터의 데이터들이 도 16에 구성된다. 강화된 냉각 효과는 공기가 증발 작업 유체/탄소폼에 걸쳐 강화될 때 수득된다.
하기의 표 1은 사용된 세 가지 조절 조건 하에서 각각의 작업 유체에 있어서 달성된 온도 하강(차이)을 요약한다.
여기서 실시된 세 가지 조건에 있어서 온도 하강 데이터들의 요약
작업 유체 온도 하강, ℃
진공 실압 및 강화된 공기 유동 실압
아세톤 66.9 25.2 21.2
에탄올 49.1 12.4 7.3
물 26 6.5 2.0
온도 하강은 진공으로 나타내는 극한 상태에 있어서 상기 표 1에 기록된다. 보다 낮은 온도 하강은 중간 진공압이 사용된다면, 실온 데이터에 의해 나타난 바와 같이 달성된다. 강화된 공기 유동은 폼에 걸쳐 증발된 용매의 부분압이 감소되기 때문에, 증발로 인해 냉각 효과를 강화시킨다.
이러한 데이터들은 본 발명의 탄소폼이 작업 유체의 증발 냉각 효과로 인해, 쉽게 매우 저온을 달성하는 것을 나타내는데, 바람직하지 않은 열의 제거를 위해 사용될 수 있다. 실시예에서 사용된 세 개의 실시예 작업 유체는 그들의 수용성으로 인해 선택된다. 이상적인 작업 유체는 증발의 고 잠열, 실온에 가까운 증발 온도를 갖고, 비독성이며 환경적으로 수용할만하다.
본 발명의 폼 물질은 여러가지 이유로 인해 저온을 유지한다: (i) 그것은 우수한 열 전도성 및 큰 표면적으로 인한 효율적인 열 전달 부분이다; (ii) 작업 유체는 증발의 고 잠열 및 저온(실온에 가까운)을 가진다; (iii) 실압은 탄소폼 표면으로부터 빠른 증발을 일으키도록 낮다(예, 진공).
하기는 증발 냉각을 통해 본 발명의 폼에서 달성된 저온의 이점을 취한 다른 적용들에 있어서 열 제거 시스템의 바람직한 실시예의 설명이다:
가정용 또는 차량용 증발 냉각 열 싱크 또는 에어컨이 일반적으로 (110)의 도 17에서 나타낸다. 작업 유체는 저장기(112)에서 펌프(116) 및 라인(15) 및 (17)을 통해 헤더 탱크(114)로 흐른다. 불침투성 코팅물 또는 피복(120)에 싸인 본 발명의 탄소 폼(118)을 통해 빠져나간다. 폼(118)을 통해 유체의 하향유동은 펌프(116)으로 생성된 중력 효과 또는 압력 차이로 발생한다. 탄소 폼 표면으로부터 작업 유체의 증발은 탄소폼(118)의 냉각을 야기한다. 펌프(116)으로 생성된 저장기(112)의 진공상태는 폼(118)로부터 증발 냉각을 강화하고 이전 실시예 VII-XVI에서 나타낸 바와 같이 온도 하강을 증가시킨다. 모터(22) 및 덕트(24)를 지닌 팬은 침투구(26)를 통해 증발을 위해 사용된 공기로부터 분리된 공기 스트림을, 공기가 냉각된 폼 코어 (118)에 과량의 열을 제거하는 코팅물 또는 케이싱(120) 및 폼 코어(118)로 보낸다. 따라서, 공기는 밀집된 공간을 냉각시키도록 덕트로 보내질 수 있는 실온 이하에서 폼 코어(118)로 나간다. 응축기 또는 냉각 트랩(28)은 폼 코어 (118)로 나가는 증기를 응축시키기 위해 필요할 수 있다. 응축된 작업 유체는 헤더 탱크 (114)로 돌아간다.
선택적으로, 물, 에틸렌 글리콜, 헬륨 또는 진소와 같은 공기 대신에 또 다른 냉각 유체는 냉동 저장의 전기적 또는 화학적/기계들 또는 내부 연소 엔진에서 로서 임계 성분들로부터 열을 제거하는 사용될 수 있다.
도 18은 증발 냉각 냉동 박스, 일반적으로(130)를 나타낸다. 캡슐화된 탄소폼 코어(32)는 냉각된 아이템들이 놓인 일련의 개방 공동(36)들을 둘러싼다. 캡슐화된 피복(38)은 폼 코어 (32) 위 아래에 닫힌 공동들(40) 및 (42)을 제공할 수도 있다. 작업 유체는 개구 (44)와 같은 상부 닫힌 공동(40)으로 흐르고 폼(32)을 통해 배출된다. 부가적으로, 환기구(46)는 작업 유체를 대기로 증발시키기 위해 상부공강에 위치된다. 탄소 폼(32) 표면으로부터 작업 유체의 증발은 폼의 온도를 감소시킨다. 부가적인 작업 유체 증발의 열은 개구 공강(36)으로부터 추출되어서, 공강 안에 온도를 감소시킨다. 전체적인 냉각 박스는 열 절연체로 포장되거나 씌워지고 열이 절연된 리드(48)는 개구(냉동 저장) 공동을 덮는다. 팬은 폼으로부터 공기 유동을 증가시키기 위해 절연된 냉동 박스(130)에 맞춰지고 작업 유체의 증발율을 증가시킨다.
증발로 냉각된 냉동 팩이 탄소폼으로 만들어질 수도 있다. 그것은 최근에 사용 전에 냉동하여 이용 가능한 것과 유사한 어떤 것일 수 있고, 탄소폼 물질을 사용하여 제작될 수 있다. 탄소 폼 블럭은 불침투성 물질로 캡슐화된다. 작업 유체를 붓고 폼 표면을 적시고 증발시켜, 폼 온도를 하강시킨다. 개구를 통해 작업 유체를 부어서 증발 유체를 대기로 환기시킨다.
도 19는 일반적으로 차량용 라디에이터(50)로 사용되는 블럭(51)의 폼에서 본 발명의 탄소폼(118)을 나타낸다. 고온 엔진 냉각 유체는 아웃풋 배기관(56)으로 폼 블럭(51)을 통해 지나가는 파이프(54)에 연결된 흡입구 배기관(52)로 유입된다. 도 20에서 나타낸 바와 같이, 폼 블럭(51)은 일반 프레임(53) 및 휠(55)을 가진 (58)에서 나타낸 것처럼 차량에 지지된다. 냉각된 유체는 배출 배기관(56)으로부터 흡입 도관(60)을 통해 엔진(59)으로 들어간다. 차량(58)이 길 아래로 움직이기 때문에, 공기가 폼 블럭(51)로 유입되고 열을 주변으로 제거한다. 라디에이터(50)에서 실온 공기로의 열 전달 효율은 블럭(51)의 표면적에 직접적으로 관련된다. 2피트 2피트 1인치의 폼 블럭은 일반적인 라디에이터가 10m2에 이르는 동안 약 19,000m2의표면적을 갖고, 라디에이터의 증가된 효율은 대략 3배 정도 개선된다.
도 21은 회전 디스크 장치 (57)의 형태로 탄소폼(118)을 나타낸다. 디스크 장치는 중공 도관 멤버(76) 및 외부 도관 멤버(78)를 제공하는 이중벽 도관(74)에 연결된 폼 디스크 부분(72)을 포함한다. 공기 및 증발 유체는 도관(78)으로 유입되고 폼 디스크 부분(72)으로 지난다. 디스크 부분(72)의 외부로 회전되기 때문에 공기 및 증발 유체는 디스크 부분(72)에서 생긴다. 이는 공기의 화살표(80) 및 증발 액체에 있어서 화살표(82)로 나타낸다. 유체 불침투성 코팅물(79)은 디스크 부분(72)의 반대 묜 상에 봉인된 표면을 제공한다. 냉각되는 고온 유체는 디스크 부분(72)에서 냉각되는 중공 도관 멤버(76) 아래로 흐른다. (84)에서 나타낸 것처럼 도관(76)의 바닥으로 흐른다. 회전 디스크 부분(72)은 적합한 하우징에서 베어링(86) 및 (88)로 지지된다. 디스크 부분(72)의 회전은 도관(74)으로 연결된 도르래(94)를 지닌 구동 벨트(96)에 의해 도르래(92) 및 (94)를 구동하는 모터(90)로 영향 받는다.
따라서, 본 발명을 통해 하기의 것들이 제공된다:
(i) 아주 높은 열전도성을 갖는 탄소폼. 따라서, 큰 온도 구배가 발전할 것 같지 않고, 증발로 인한 표면 냉각은 벌크 물질 냉각으로 빠르게 전환된다.
(ii) 폼은 셀 구조에서 기인된 연장된 표면적을 가진다. 이는 작업 유체의 빠른 증발을 가능하게 한다.
(iii) 폼은 작업 유체가 물질에 침투하도록 개방 구조를 가진다.
(iv) 셀 크기 및 끈 특성들은 물질들이 선택된 작업 유체 또는 예상된 냉각 적용에 맞춰지도록 다양해질 수 있다.
(v) 작업 유체는 비-독성이고 친환경적인 것으로 선택될 수 있다.
(vi) 여기서 기술된 바와 같이 증잘 냉각 시스템은 잠재적으로 낮은(0) 에너지 소비 및 소수거나 없는 이동 부분으로 증가된 신뢰성을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소폼 열 싱크 제품, 즉, 엄청난 양의 열 에너지가 저장되고 매우 빠르게 방출되는, 케이스된 상 변화 물질로 채워진 고열전도성 다공질의 탄소폼의 생산이다. 다공질 폼은 장치의 작동 온도에 가까운 온도에서 상 변화 물질(PCM)로 채워진다. 열이 컴퓨터 칩, 대기권 재진입으로 인한 마찰열, 또는 햇빛과 같은 방사 등의 열원으로부터 표면에 부가되기 때문에, 빠르고 균일하게 폼 전체에 걸쳐 전도된 후 상 변화 물질에 전도된다. 물질이 상을 변화시키기 때문에 융합 또는 증발 잠열의 전달로 인해 비-PCM 물질 보다 몇 배의 에너지를 더 흡수한다. 반대로, 채워진 폼은 냉동 목적과 관련되어 쓰일 때 빠르게 에너지를 방출하도록 사용될 수 있다.
여기서 기술된 비-제한 실시예들은 냉동 식품을 바르게 해동하거나 해동된 식품을 냉동하기 위한 장치, 인공위성 또는 저장 열 에너지가 궤도 운동 중에 순환 열을 경험하기 때문에 과열을 예방하기 위한 디자인, 및 극초음속 비행 또는 우주로부터 재진입 중에 선두 가장자리를 냉각시키기 위한 디자인이다.
본 발명의 탄소폼 열 싱크 제품을 예시하기 위해, 하기의 예들이 설명된다.그들은 어떤 식으로든 본 발명을 제한하지 않는다.
실시예 XVII: 식품을 해동시키기 위한 장치
아세트산은 11℃의 용융점에서 45J/g의 용해열을 가진다. 음식의 용해열, 주로 얼음은 0℃에서 약 79J/g이다. 따라서, 블럭의 폼을 취하고 실온에서 액체 아세트산으로 채운다. 폼은 상부를 제외하고 모든 면에서 폴리에틸렌과 같은 절연 폴리머로부터 만들어진 박스로 케이스된다. 폼/아세트산 블럭의 상부는 폴리머 케이스(도 22로 나타낸) 내부에 폼/아세트산을 봉인하도록 착수된 고열전도성 알루미늄 플레이트로 캡핑된다. 폼 블럭이 10인치 x 15인치 x 0.5인치의 크기라면, 폼의 질량은 614그램이다. 폼을 채운 아세트산의 질량은 약 921그램이다. 따라서, 한 조각의 고기가 알루미늄 블럭의 상부에 연결되게 놓고 폼은 아세트산의 응고점(11℃)까지 냉각된다. 이 온도에서, 응고시(또한, 11℃에서 유지된다) 아세트산으로부터 주어진 열은 49KJ과 평형이 된다. 이 열은 작동시(또한, 0℃로 유지한다.) 냉동 고기로 빠르게 전달된다. 이러한 열의 양은 약 500mg(1bl)의 고기를 해동하기에 충분하다.
실시예 XVIII: 순환 궤도 운동 중에 인공위성의 과열을 방지하기 위한 열 싱크
폼이 탄소-탄소면 시트를 지닌 코어 물질인 폼으로 탄소-탄소 복합체를 생산한다(도 23). 파라핀과 같은, 인공위성 구성물질의 약 최대 작업 온도에서 용융하는 적합한 상 변화 물질로 폼 코어를 채운다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 탄소-탄소면 시크의 한쪽 면에 구멍을 내고 액상의 상 변화 물질로 다공성 폼을 채운다. 일단 채워지면, 샘플은 냉각될 수 있고(상 변화 물질은 고형화된다) 구멍은 에폭시또는 스크류-형 캡으로 막힐 수 있다. 에폭시 및 다른 밀폐제는 적용의 작업 온도를 견딜 수 있어야 한다. 폼-코어 복합체는 궤도 운동 중에 태양에 노출되는 인공위성 면에 장착된다. 인공위성이 지구를 선회하고 태양에 노출되기 때문에, 태양으로부터의 복사 에너지는 복합체 판넬을 상 변화 물질의 용융점까지 가열시킨다. 이 온도에서, 판넬은 상 변화 물질이 용융되는 온도에서 증가하지 않는다. 이는 쉽게 계산될 수 있으며 물질이 절대 완전하게 용융되지 않아, 용융 온도를 절대 넘지 않는 인공위성의 궤도운동 횟수의 지식을 통해 고안된다. 그런 다음, 인공위성이 태양의 시야로부터 사라질 때, 우주로 열을 복사하기 시작하고, 상 변화 물질은 얼기 시작한다. 사이클은 일단 인공위성이 태양의 시야로 들어오면 다시 반복된다.
실시예 XIX: 선두 가장자리를 위한 열 싱크
최근에, 순환 궤도 인공위성은 재진입 중에 극한의 열을 경험한다. 상세하게, 우주선의 선두 가장자리는 1800℃에 달하며 우주선의 허리부분은 1200℃만큼 높은 온도에 도달할 수 있다. 폼 코어 복합체 판넬이 선두 가장자리의 표면 및 허리 부분의 표면에 위치된다면(도 24), 고온 영역의 최대 온도를 급격히 감소하기에 충분한 열을 흡수할 수 있다. 또한, 이는 보다 빠른 재진입 또는 ( 보다 가파르게 미끄러지는 슬로프) 및 최근 최대 온도를 유지한다. 이러한 경우에서, 상 변화 물질은, 약 800~900℃에서 용융하고 우주선의 최대 온도보다 훨씬 높을 때까지 증발하지 않는, 게르마늄-실리콘 등의 합금이 가장 적당하다.
예를 들어, 게르마늄은 488J/g의 열(용융열)을 갖는다. 이는 668℃의 1Kg의 탄소/탄소 열-방패가 존재하는 온도를 감소시키기 위해 1.0Kg의 게르마늄을 필요로한다. 반면에, 존재하는 탄소-탄소가 게르마늄이 채워진 폼으로 1대1 대체된다면, 열 방패의 최대 온도는 재진입 중 약 1800℃ 대신에 단지 약 1131℃이고, 열 로딩 중에 좌우된다.
본 미국 특허 출원은 하기의 본문들을 참고로 도입한다.: 1997년 9월 2일에 제출된 미국 특허 출원 제08/921,875호; 1997년 9월 2일에 제출된 미국 특허 출원 제08/923,877호; 1998년 6월 8일에 제출된 미국 특허 출원 제09/093,406호; 및 1999년 12월 9일에 제출된 미국 특허 제09/458,640호; 1998년 5월 31~6월 4일 43회 국제 SAMPE 심포지엄의 Klett, J의 "High Thermal Conductivity, Mesophase Pitch-Derived Graphitic Foam"; 1999년 7월 11~16일 탄소 99' 24회 탄소 상 비엔나 컨퍼런스에서 Klett, C. Walls 및 T. Burchell의 "High Thermal Conduc-tivity Mesophase Pitch-Derived Carbon Foams: Effect of Precursor on Structure and Properties"; J. Klett의 "High Thermal Conductivity, Mesophase Pitch-Derived Graphitic Foams" Mfg의 J. 복합체 15:4, 페이지 1~7(1999); J. Klett 및 T. Brurchell의 "High Thermal Conductivity, Mesophase Pitch Derived Carbon Foam" 탄소의 과학 및 기술, 확장된 요약 및 유럽탄소 프로그램 vol. II, 스트라스보그, 프랑스, 7월 5~9일, 1998; 및 2000년 1월 21일 다운로드된, 인터넷 주소 poco.com/pocofoam/grafprod의 텍사스 데카트르의 Poco Graphite, Inc.의 웹 사이트의 공개된 페이지.
열 전도성 및 특이 열 전도성:플래시 확산 방법의 효력 및 개구가 열 펄스의 침투가 샘플로 가게 하는지 여부가 성립되어야만 한다. 일반적으로, 샘플에서의펄스의 깊은 침투는 샘플의 후면상에 특징적인 열 펄스의 변화를 일으킨다. 따라서, 보고된 확산의 오류는 20%나 될 수 있다. 그러나, 폼의 보다 큰 구조체 및 작은 구멍들은 약 1~2개의 기공 직경(250~500마이크로미터)으로의 침투 깊이를 제한한다. 따라서, 본 기술이 열 전도성에 있어 아주 정확한 값을 생성한다. 이는 플래시 확산 방법 및 열 구배 방법으로 샘플을 테스트하여 확인된다. 측정된 전도성은 이러한 폼을 측정하기 위한 다양한 방법으로써 플래시 방법을 다양화하여, 5% 이하로 다양해진다. 기공 구조가 명백하게 변한다면, 플래시 방법은 부정확한 결과를 낳는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 두 개의 다른 전구체들은 본 발명의 절차로 폼을 생산하는데 사용된다. 이러한 전구체들은 Conoco Mesophase Pitch 및 Mitsubishi ARA24 Mesophase Pitch(여기선 Conoco 및 ARA24로 참조)이다. 결과들은 표 II 및 III에 나타나 있다. 그것들은 질소 대기 하에, 3.5℃/분의 포밍 단계의 가열비율 하에서 작업 압력을 다양화하여 진행되고, 630℃에서 1시간 동안 코크스화되며, 용광로의 자연 냉각 비율로 냉각된다. 이 샘플들은 1000℃까지 0.2℃/분의 가열비율로 질 소 하에 분리 용광로에서 탄소화된 후 어떤 샘플들이 두 개의 다른 가열비율(10℃/분 및 4℃/분, 표 III)로 또 다른 용광로의 2800℃에서 흑연화된다.
폼의 열 전도성(여기서 "벌크 열 전도성"과 동의어로 사용된 용어)은 표 II 및 도 25 및 26에서 나타낸 바와 같이 매우 높다. 4℃/분에서 흑연화된, ARA24 폼의 열 전도성은 표 III에서 나타낸 것처럼 약 146~187W/m.K의 범위이다. 이는 약0.56g/cm3의 저 밀도를 지닌 물질에서 주목할 만하다. 이는 약 256~334W.cm3/m.°K.gm의 범위에서 특이 열 전도성(밀도로 나뉜 열 전도성)으로 추정한다. 상기에서, 약 58W/m.K의 벌크 열 전도성을 지닌 폼에 있어서, 끈 열 전도성은 약 700W/m.K이다. 그러나, 표 II 및 III에서 나타낸 데이터로, 폼의 열 전도성이 147W/m.K일 때, 끈 열 전도성은 약 1800W/m.K이고, 약 187W/m.K의 폼 열 전도성에 있어서, 끈 열 전도성은 약 2200W/m.K이다.
이는 본 흑연 탄소 폼의 열 전도성은 상당한 등방성이고, 바람직하게 완전한 등방성인 평범하지 않은 특성이다. 폼은 어떤 금속 열 관리 물질의 등방성 열 전도성과 비교하여 상당한 등방성 열 전도성을 나타낸다(표 IV). 폼은 109W/m.K및 250W/m.K인, 표 IV에 열거된 탄소 섬유를 함유하는 탄소-탄소 복합체과 같은, 탄소계 열 관리 물질의 기내 열 전도성과 비교할만한, 표 III의 ARA24에 있어서 열 전도성 146~187W/m.K를 나타낸다. 폼은 1W/m.K 및 20W/m.K인, 탄소-탄소 복합체 보다 기외 방향으로 명백히 높은 열 전도성을 갖는다. 일반적으로, 탄소-계 열 관리 물질은 표 IV에서 나타낸 것처럼, 기내외 열전도성 사이에 상당한 차이를 나타낸다. 몇몇의 다른 열 관리 물질이 보다 높은 기내 열 전도성을 가짐에도 불구하고, 그것이 밀도는 폼 보다 훨씬 큰, 즉, 폼의 특이 열 전도성이 가능한 모든 열 관리 물질 보다 명백히 크다. 사실, 특이 열 전도성은 종래 기술에서 열 싱크에 있어 바람직한 물질인, 구리보다(45W/cm3/m.°K.gm)7배 이상 크다. 중량이 관심사 또는 비-정상 상태 조건이 종종 일어나는, 열 관리에 있어서, 흑연 폼은 다른 가능한 물질에 우선한다. 등방성 열 및 기계적인 특성들의 이점들은 보다 유연하고 효율적인 신규 디자인이 가능해야 한다.
본 발명의 탄소 폼 샘플의 특성들
샘플 ID 피치전구체 최대열처리온도(℃) 포밍 압력(Psi) 총 기공면적(m2/g) 평균기공 직경(미크론) 밀도(g/cm2) 특이 표면적(m2/m2) 열전도성(W/m.K) 특이 열 전도성(W.cm3/m.K.gm)
G AR 1000 400 61.979 0.22 13,635,380 0.6
A AR 1000 600 47.89 125 0.37 17,719,300 1.2 3.2
M AR 1000 800 70.31 168 0.44 30,936,400 1.3 3.0
P AR 1000 1000 0.036 90.7 0.54 19,440 1.7 3.1
F Conoco 1000 400 0.956 59.44 0.33 315,480 0.9 2.7
E Conoco 1000 600 0.166 46.93 0.4 66,400 1 2.5
D Conoco 1000 800 20.317 28.6 0.49 9,955,330 1.3 2.7
B Conoco 1000 1000 20.565 24 0.56 11,516,400 1.2 2.1
N AR 2800 400 0.025 340 0.25 6,250 50 200.0
K AR 2800 600 112.4 165 0.39 43,836,00 72 184.5
L AR 2800 800 60.81 100.2 0.48 29,183,300 105 218.4
O AR 2800 1000 0.045 100.85 0.57 25,650 149 261.4
Q AR 2800 1000 0.57
I Conoco 2800 400 0.087 59.19 0.35 30,450 40.8 116.6
J Conoco 2800 600 0.162 48.45 0.4 64,300 85.1 212.3
H Conoco 2800 800 0.15 41.23 0.49 73,500 104.2 212.7
C Conoco 2800 1000 27.06 31.3 0.59 15,965,400 134.1 227.3
*주의: 평균 기공 직경이 수은 공극율 측정기에 의한 결과들로부터 계산되기 때문에, 평균 셀 크기를 대표하지 않는다.
**주의: 열 전도는 측정된 제논 펄스 플래시 확산 기술로부터 측정된다.
열전도성 및 특이 열 전도성 대 본 발명에서 다른 전구체로부터 생성된 중간상 유도된 흑연 폼의 밀도
Conoco ARA24
밀도(g/cm3) 열전도성(W/m-K) 특이 열 전도성(W.cm3/m.K.gm) 흑연화율(℃/분) 밀도(g/cm3) 열전도성(W/m-K) 특이 열전도성(W.cm3/m.K.gm) 흑연화율(℃/분)
0.59 134.1 227 10 0.56 187 334 4
0.56 92.1 164 10 0.59 183 310 4
0.56 80.1 143 10 0.62 180 290 4
0.54 102 189 10 0.56 177 316 4
0.53 99 187 10 0.58 170 293 4
0.49 104.2 213 10 0.61 169 277 4
0.43 85.2 198 10 0.56 166 296 4
0.4 84.1 210 10 0.56 165 295 4
0.4 85.1 213 10 0.6 161 268 4
0.32 55.1 172 10 0.61 160 262 4
0.36 40.9 114 10 0.59 157 266 4
0.35 40.8 117 10 0.62 152 245 4
0.59 151.2 256 4
0.6 150 250 4
0.57 148.9 261 4
0.57 146 256 4
ARA 24
밀도(g/cm3) 열전도성(W/m-K) 특이 열전도성(W.cm3/m.K.gm) 흑연화율(℃/분) 밀도(g/cm3) 열전도성(W/m-K) 특이 열전도성(W.cm3/m.K.gm) 흑연화율(℃/분)
0.6 136 227 10 0.52 93 179 10
0.6 131.6 219 10 0.38 92.2 243 10
0.51 127 249 10 0.45 86.8 193 10
0.53 127 240 10 0.55 85.3 155 10
0.52 121 233 10 0.4 75 188 10
0.47 119.6 254 10 0.39 74.5 191 10
0.53 118 223 10 0.39 68.2 175 10
0.57 112 196 10 0.29 67.1 231 10
0.48 105.3 219 10 0.28 62 221 10
0.48 104.2 218 10 0.31 55.2 178 10
0.57 98 172 10 0.3 52.6 175 10
0.51 98 192 10 0.25 50.5 202 10
0.49 94 192 10 0.27 48.3 179 10
특이 열 전도성=밀도로 나뉜 열 전도성
물질 열 전도성 특이 열 전도성
밀도(gm/cm) 기내(W/m.K) 기외(W/m.K) 기내(W.cm3/m.K.gm) 기외(W.cm3/m.K.gm)
일반적인 2-D 탄소-탄소 1.88 250 20 132 10.6
EWC-300/시아네이트 에스테르 1.172 109 1 63 0.6
구리 8.9 400 400 45 45
알루미늄 6061 2.8 180 180 64 64
알루미늄 벌집모양 0.19 -- ~10 -- 52
알루미늄 폼 0.5 12 12 24 24
표 II, III 및 IV 및 도 25 및 26의 데이터에 기초하여, 본 발명의 탄소 폼은, 흑연화될 때, 매우 높은 열 전도성 및 특이 열 전도성을 갖는다. 일반적으로, 흑연 탄소 폼은 적어도 40W/m.K의 열 전도성 및/또는 적어도 구리와 동일한, 즉 적어도 45W.cm3/m.K.gm의 특이 열 전도성, 및 적어도 75W.cm3/m.K.gm의 특이 열 전도성을 가진다. 본 발명의 보다 일반적인 흑연 탄소 폼은 적어도 75W/m.K의 열 전도성 및/또는 적어도 100W.cm3/m.K.gm의 특이 열 전도성을 가진다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 탄소 폼은 적어도 100W/m.K의 열 전도성 및/또는 적어도 150W.cm3/m.K.gm의 특이 열 전도성을 가진다. 보다 바람직한 실시예들은 적어도 125W/m.K의 열 전도성 및/또는 적어도 175W.cm3/m.K.gm의 특이 열 전도성을 갖는 탄소 폼을 주의깊게 관찰한다. 보다 바람직한 실시예들은 적어도 150W/m.K의 열 전도성 및/또는 적어도 200W.cm3/m.K.gm의 특이 열 전도성을 갖는 탄소 폼을 주의깊게 관찰한다. 훨씬 더 바람직한 실시예들은 적어도 275W.cm3/m.K.gm, 심지어 적어도300W.cm3/m.K.gm, 및 325W.cm3/m.K.gm의 특이 열 전도성이 달성될 수 있는 것을 나타내는 표 II-IV 및 도 25 및 26의 데이터로, 적어도 175W/m.K의 열 전도성 및/또는 적어도 250W.cm3/m.K.gm의 특이 열 전도성을 갖는 탄소 폼을 주의깊게 관찰한다. 표 II에서 나타내 기공 직경은 수은 측정법으로 측정된다.
특이 표면적: 탄소 폼의 전체적인 열 수행에 영향을 미치는 또 다른 특성은 특이 표면적(SSA)이고, 다음으로 계산된다:
SSA[m 2 /m 3 ] = 총 기공 면적[m 2 /g] x 밀도[g/cm 3 ] x 1,000,000[cm 3 /m 3 ]
보다 작은 특이 표면적은 천연 대류 열 전달 모드(라미나 유동)의 효과를 감소시키는 보다 낮은 공극율을 나타내고 보다 효율적인 대류 열 전달 모드가 열 수행을 조절하게 한다. 보다 큰 SSA는 증가된 표면적을 통한 증발 냉각을 부피비율로 강화하고 증발 유동 및 폼 물질 사이의 접촉면을 증가시킨다. 또한, SSA은 열 전달을 위해 사용된 표면적을 증가시켜 중간에 유동 경로를 거쳐 강화된 대류 열 전달에 폼 반응의 지표이기도 하다.
표 II에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 흑연화된 탄소(2800℃까지 열 처리된)에 있어서 SSA 값은 적어도 약 6,000m2/m3, 일반적으로 25,000m2/m3, 및 훨씬 더 일반적으로 65,000m2/m3이상이다. 적어도 100,000m2/m3또는 500,000m2/m3의 SSA 값은 본 발명에서 주의깊게 관찰된다. 실제로, 표 II에서 나타낸 여러 샘플들은1,000,000m2/m3이상이고, 바람직한 실시예에서, 탄소 폼은 주의깊게 관찰되는 적어도 약 25,000,000m2/m3또는 35,000,000m2/m3의 SSA 값으로, 적어도 약 2,000,000m2/m3, 보다 바람직하게 적어도 약 5,000,000m2/m3, 여전히 보다 바람직하게 약 10,000,000m2/m3, 및 가장 바람직하게, 적어도 약 15,000,000m2/m3의 SSA를 가진다. SSA 값 상의 상위 가능한 한계는 알려지지 않고, 표 II의 데이터는 43,836,000m2/m3로 테스트된 몇몇의 샘플들로 달성된 가장 높은 값을 나타내는 반면에, 이 값보다 높은 또는 낮은 값은 본 발명에서와 같이 여겨진다.
증발 냉각:도 14에 따른 실시예 VII, VIII 및 X는 여전히 진공 용광로에서의 공기 실험이 하기의 냉각율을 생산하는 것을 나타낸다:
I. 유체로서 아세톤을 사용하여, 약 4분 이하에서 53.4℃(C)에 도달된 탄소 폼 온도;
II. 유체로서 에탄올을 사용하여, 약 6분 이하에서 28.6℃(C)에 도달된 탄소 폼 온도;
III. 유체로서 물을 사용하여, 약 3분 이하에서 -5.5℃(C)에 도달된 탄소 폼 온도.
도 15에 따른 실시예 XI, XII, 및 XIII는 실온 조건 하에서 수행된 자연 대류 실험이 하기의 냉각율을 생산하는 것을 나타낸다.
I. 유체로서 아세톤을 사용하여, 약 38분 이하에서 0.5℃(C)에 도달된 탄소폼 온도;
II. 유체로서 에탄올을 사용하여, 약 38분 이하에서 14.3℃(C)에 도달된 탄소 폼 온도; 및
III. 유체로서 물을 사용하여, 약 38분 이하에서 18.9℃(C)에 도달된 탄소 폼 온도;
상기에서, 상기 정보는 각각 아세톤, 에탄올 및 물을 사용하는 시간에 따라 온도의 감소를 보이는 상기 기술된 실험으로 나타낸 데이터들로부터 유도된다. 그러나, 이러한 실험들을 설명하는 표의 데이터들로부터 그려질 수 있는 결론만을 의미하지 않는다. 예를 들어, 실시예 VII에서 나타낸 것처럼, 실험 조건 하에서, 아세톤이 유체일 때, 탄소 폼은 29torr의 감소된 압력(진공)에서 2분 이내에 -46.7℃의 온도에 도달한다. 유사하게, 실시예 VIII에서 나타낸 것처럼, 실험 조건 하에서, 에탄올이 유체일 때, 탄소 폼은 1.2torr의 감소된 압력(진공)에서 3분 이내에 -21.7℃의 온도에 도달한다. 다시 유사하게, 실험 XI에서, 유체로서 아세톤을 사용하여, 실험의 자연 대류 조건하에서, 탄소 폼은 10분 이내 5.7℃의 온도에 도달한다. 이러한 결론 및 이와 유사한 결론들은 실시예 VII 에서 XVI의 표로된 데이터들로부터 그려질 수 있는데, 상기 데이터들은 조합된 효과를 나타내며, 본 발명의 탄소 폼의 고 열 전도성 및 SSA 특성들은 각각 아세톤, 에탄올 및 물로 달성할 수 있는 냉각율을 가진다.
X-선 분석: 격자 변수들은 인덱스된 회절 피크 위치(표 V)로부터 결정된다. 결정 크기 측정을 위한 X-선 방법은 종래 기술에서 숙련된 전문가들에게 잘 알려져있다. 002 및 100 회절 피크 폭들은 a- 및 c- 방향에서 결정 용적을 결정하기 위한 Scherrer 을 사용하여 분석된다.
여기에서, t는 결정 크기, λ는 X-선 파장, B는 회절 피크의 폭[총 폭 절반 최대(FWHM) - 계기 폭], 및 2θ는 회절 각이다.
표 V에서 나타낸 바와 같이, 002 피크(삽입층 공간이 특징적인)는 고도로 정리된 흑연임을 나타내는 매우 좁고 비대칭이다. Scherrer 방법으로 계산된 삽입층 공간은 약 0.3354~0.3364nm의 범위에 있다. c-방향의 결정 크기는 적어도 약 82.4nm가 되도록 이러한 데이터들로부터 계산되고, 100피크(또는 6각형 명명법의 1010)는 적어도 약 21.5nm의 a-방향으로 결정 크기를 계산하는데 사용된다. 이러한 결정 크기들은 일반적인 고 열 전도성 탄소 섬유보다 커서, 폼 끈은 K1100 및 증기 성장 탄소 섬유(VGCF)와 같은 고 배열 열분해성 탄소 및 고 열 전도성 탄소 섬유와 유사하게 수행한다.
탄소 폼 샘플들에 있어 X-선 회절 데이터
샘플 ID 피치 전구체 최대 열처리 온도(℃) 포밍 압력(Psi) d002공간(nm) La(nm) Lc(nm) 피크 각(2θ) FWHM 좁음 비교상의 피크 스플릿 요인(RPSF)
002 101 100 002 101 100
원 AR 1000 1000 0.3362 20.3 44.2 26.4853 42.3185 44.2751 0.2940 0.5540 1.2870 0.470
N AR 2800 400 0.3364 11.8 48.2 26.4769 42.1512 44.1507 0.2292 0.7644 0.8856 0.413
K AR 2800 600 0.3362 17.8 46.6 26.4839 42.0911 44.2000 0.2348 0.5374 0.7207 0.298
L AR 2800 800 0.3360 21.5 79.3 26.5006 42.1416 44.2069 0.1628 0.4542 0.7807 0.299
O AR 2800 1000 0.3356 21.4 56.7 26.5540 42.2270 44.2815 0.1590 0.5220 0.7438 0.308
Q AR 2800 1000 0.3354 18.4 82.4 26.5383 42.3065 44.2815 0.2040 0.4568 0.7438 0.304
* 표 V의 샘플 N-Q는 표 II의 샘플 N-Q와 각각 동일하다.
100 및 101 피크에서의 "더블릿"은 상대적인 피크 스플릿 요인(RPSF) 변수, 도는 좁음이 특징적이고, 피크 각 및 총 폭 절반 최대(FWHM)를 사용하여 계산된다. e 식은 다음과 같다.
보다 작은 RPSF는 100 및 101에서 보다 가깝고 열 전도성 및 구조적인 무결함을 위해 선호적인 격자 조건 피크들을 나타낸다. 표 V에서 보고된 데이터는 2800℃에서 열 처리된 탄소 폼에서의 보고된 가장 낮은 값이 0.298 및 가장 높은 값이 0.413인,0.470 이하의 RPSF의 값을 나타낸다.
미세구조 특성: 도 27 및 28은 본 발명의 폼 샘플의 기공 구조의 전자 현미경을 스캔한 것이다. 폼은 유사한 기하학 모양, 일반적으로 타원, 및 종종 구형 또는 실질적으로 구형인 셀들을 지닌, 셀(200)(또는 기공들) 사이에 서로 연결된 개구를 갖는 구조체를 나타낸다. (구형은 타원형의 특이 형태이다.) 흑연 구조는 셀 벽에 평형하게 배열되고 끈 (210)의 축을 따라 높게 정렬된 이미지로부터 분명하다. 이렇게 고도로 정렬된 구조는 일반적인 유리질 탄소 폼과는 명백히 다르다: 유리질 탄소폼은 흑연 구조가 결여되고, 큰 개구들 및 선형 끈을 가지며, 모양에서 대부분 5각형 12면체이다.
게다가, 끈 사이의 접합점(220)에서, 흑연 구조는 보다 덜 정렬되고 보다 접힌 텍스처를 가짐을 나타낸다. 이는 형성 중에 이 지점에서 압력의 부족으로부터 발생한다고 가정한다. 따라서, 이러한 영역에서 잘 정렬된 구조는 초기에 열 처리 전에 전구체 중간상에서 구조의 인공물이다.

Claims (111)

  1. 초기 약 21℃의 실온에서 아세톤으로 포화되고, 약 1.2 torr와 동등한 감소된 압력(진공)하에 놓일 때, 약 4분 내에 약 -50℃까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  2. 초기 약 21℃의 실온에서 에탄올로 포화되고, 약 1.0 torr와 동등한 감소된 압력(진공)하에 놓일 때, 약 6분 내에 약 -28℃까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  3. 초기 약 21℃의 실온에서 물로 포화되고, 약 1.2 torr와 동등한 감소된 압력(진공)하에 놓일 때, 약 3분 내에 약 0℃까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  4. 초기 약 21℃의 실온에서 아세톤으로 포화되고, 자연 증발 하의 실온 조건에 노출될 때, 약 34분 내에 약 1.0℃까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  5. 초기 약 21℃의 실온에서 에탄올로 포화되고, 자연 증발 하의 실온 조건에 노출될 때, 약 23분 내에 약 15℃까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  6. 초기 약 21℃의 실온에서 물로 포화되고, 자연 증발 하의 실온 조건에 노출될 때, 약 33분 내에 약 19℃까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  7. 적어도 40W/m.K의 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  8. 제 7 항에 있어서, 적어도 50W/m.K의 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  9. 제 7 항에 있어서, 적어도 75W/m.K의 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  10. 제 7 항에 있어서, 적어도 100W/m.K의 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  11. 제 7 항에 있어서, 적어도 125W/m.K의 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  12. 제 7 항에 있어서, 적어도 150W/m.K의 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  13. 제 7 항에 있어서, 적어도 175W/m.K의 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  14. 제 8, 10, 11 또는 13 항에 있어서, 약 187W/m.K의 최대 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  15. 제 7 항에 있어서, 약 187W/m.K의 최대 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  16. 적어도 75W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  17. 제 7, 9, 13 또는 15 항에 있어서, 적어도 100W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  18. 제 16 항에 있어서, 적어도 125W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  19. 제 7, 11, 15 또는 16 항에 있어서, 적어도 150W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  20. 제 16 항에 있어서, 적어도 175W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  21. 제 7, 9, 13, 15 또는 16 항에 있어서, 적어도 200W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  22. 제 16 항에 있어서, 적어도 225W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  23. 제 7, 11, 13, 15 또는 16 항에 있어서, 적어도 250W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  24. 제 16 항에 있어서, 적어도 275W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  25. 제 7, 9, 13, 15 또는 16 항에 있어서, 적어도 300W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  26. 제 16 항에 있어서, 적어도 325W.cm3/m.K.gm의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  27. 제 7, 11, 13, 또는 15 항에 있어서, 약 114~334W.cm3/m.K.gm 사이의 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  28. 제 16 항에 있어서, 약 334W.cm3/m.K.gm의 최대 특이 열전도율을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  29. 제 7 항에 있어서, 적어도 6000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  30. 제 15, 16, 28 또는 29 항에 있어서, 적어도 25,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  31. 제 29 항에 있어서, 적어도 65,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  32. 제 17 항에 있어서, 적어도 65,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  33. 제 13, 16, 28 또는 29 항에 있어서, 적어도 100,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  34. 제 27 항에 있어서, 적어도 500,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  35. 제 29 항에 있어서, 적어도 500,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  36. 제 29 항에 있어서, 적어도 1,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  37. 제 19 항에 있어서, 적어도 1,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  38. 제 29 항에 있어서, 적어도 5,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  39. 제 9, 15, 18, 28 또는 29 항에 있어서, 적어도 1,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  40. 제 29 항에 있어서, 적어도 15,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  41. 제 21 항에 있어서, 적어도 20,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  42. 제 9, 15, 20 또는 29 항에 있어서, 적어도 25,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  43. 제 29 항에 있어서, 적어도 30,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  44. 제 15, 28 또는 29 항에 있어서, 적어도 35,000,000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  45. 제 29, 36 또는 38 항에 있어서, 44,000,000m2/m3이하의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  46. 제 34 항에 있어서, 44,000,000m2/m3이하의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  47. 0.470 이하의 상대적인 피크 스플릿 요인이 특징적인 더블릿 100 및 101 피크로 특징지워진 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  48. 제 33 항에 있어서, 0.470 이하의 상대적인 피크 스플릿 요인이 특징적인 더블릿 100 및 101 피크로 특징지워진 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  49. 제 39 항에 있어서, 0.470 이하의 상대적인 피크 스플릿 요인이 특징적인 더블릿 100 및 101 피크로 특징지워진 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  50. 제 21 항에 있어서, 0.470 이하의 상대적인 피크 스플릿 요인이 특징적인 더블릿 100 및 101 피크로 특징지워진 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  51. 제 8, 10, 12, 16, 20, 24, 29, 31, 35, 또는 40 항에 있어서, 0.470 이하의 상대적인 피크 스플릿 요인이 특징적인 더블릿 100 및 101 피크로 특징지워진 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  52. 제 46 항에 있어서, 약 0.298~0.413 사이의 상대적인 피크 스플릿 요인이 특징적인 더블릿 100 및 101 피크로 특징지워진 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  53. 제 27 항에 있어서, 0.413 이하의 상대적인 피크 스플릿 요인이 특징적인 더블릿 100 및 101 피크로 특징지워진 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  54. 제 9, 11, 13, 18, 22, 26, 28, 36 또는 38 항에 있어서, 0.298~0.470 사이의 상대적인 피크 스플릿 요인이 특징적인 더블릿 100 및 101 피크로 특징지워진 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  55. 약 0.159 및 0.294 사이의 002 피크 각에 있어서 총 폭 절반 최대(full width half maximum)가 특징적인 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  56. 제 52 항에 있어서, 상기 X-선 회절 패턴은 약 0.159 및 0.2292 사이의 002 피크 각에 있어서 총 폭 절반 최대를 더 특징으로 하는 탄소 폼.
  57. 제 53 항에 있어서, 상기 X-선 회절 패턴은 약 0.159 및 0.294 사이의 002 피크 각에 있어서 총 폭 절반 최대를 더 특징으로 하는 탄소 폼.
  58. 제 8, 13, 20, 26, 28, 29 또는 36 항에 있어서, 약 0.159 및 0.294 사이의002 피크 각에 있어서 총 폭 절반 최대를 가진 X-선 회절 패턴이 특징적인 탄소 폼.
  59. 제 58 항에 있어서, X-선 회절 패턴은:
    (a) 약 0.298 및 0.470 사이의 상대적인 피크 스플릿 요인이 더 특징적인 더블릿 100 및 101 피크; 및
    (b) 약 0.3354 및 0.3364 사이의 d002 공간
    을 더 특징으로 하는 탄소 폼.
  60. 제 59 항에 있어서, 약 30~60 미크론 사이의 평균 기공 직경, 및 약 0.2~0.65gm/cm3사이의 밀도, 및 약 0.413 이하의 상대적인 피크 스플릿 요인을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  61. 제 1, 5, 7, 16 또는 29 항에 있어서, 60 미크론 이하의 평균 기공 직경 및 약 0.2~0.65gm/cm3사이의 밀도를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  62. 열 전달 표면으로서 제 7 항의 탄소 폼을 포함하는 열 교환 장치.
  63. 제 7 항의 탄소 폼을 포함하는 증발성 냉각 열 싱크.
  64. 제 7 항에 있어서, 상 변화 물질을 포함하는 미세기공 함유 탄소 폼.
  65. 제 7 항에 있어서, 약 0.4~0.65gm/cm3의 밀도를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  66. 제 7 항에 있어서, 약 0.55~0.60gm/cm3의 밀도를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  67. 제 7 항에 있어서, 약 0.50~0.65gm/cm3의 밀도를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  68. 제 7 항에 있어서, 약 340 미크론 이하의 평균 기공 직경을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  69. 제 7 항에 있어서, 약 60 미크론 이하의 평균 기공 직경을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  70. 제 7 항에 있어서, 40~50도 사이의 2θ에서 상대적으로 예리한 더블릿 피크를 나타내는 X-선 회절 패턴이 특징적인 탄소 폼.
  71. 제 7 항에 있어서, 약 0.336의 평균 d002공간을 가진 X-선 회절 패턴이 특징적인 탄소 폼.
  72. 제 7 항에 있어서, 0.336의 평균 d002공간을 가진 X-선 회절 패턴이 특징적인 탄소 폼.
  73. 제 7 항에 있어서, 실질적으로 타원형 기공으로 구성된 개방 셀 기공 구조를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  74. 제 7 항에 있어서, 실질적으로 타원형 기공으로 구성된 개방 셀 기공 구조를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  75. 제 7 항에 있어서, 평면 횡단면 이미지가 실질적으로 원 또는 타원형인 기공으로 구성된 개방 셀 기공 구조체를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  76. 제 7 항에 있어서, 평면 횡단면 이미지가 실질적으로 원 또는 타원형인 기공으로 본질적으로 구성된 개방 셀 기공 구조체를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  77. 제 7 항에 있어서, 중간상 피치로부터 유도된 탄소가 셀 벽 축을 따라 실질적으로 정렬된 셀 벽을 포함하는 실질적으로 개방 셀 구조를 갖고, 비-산화적으로 안정된 탄소 폼.
  78. 제 77 항에 있어서, 셀 벽 축을 따라 실질적으로 정렬된 상기 탄소는 흑연 형태인 탄소 폼.
  79. 제 7 항에 있어서, 완전히 흑연화되고 타원형 기공으로 실질적으로 구성된 개방 셀 구조 및 셀 벽의 축을 따라 실질적으로 정렬된 흑연이 더 특징적인 탄소 폼.
  80. 제 7 항에 있어서, 100미크론 범위내의 직경을 가진 기공으로 실질적으로 구성된 기공 구조를 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  81. 제 7 항에 있어서, 도 11에서 묘사한 바와 같은 X-선 회절 패턴을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  82. 실질적으로 등방성 열 전도성을 가진 것을 특징으로 하는 열 전도성 탄소 폼.
  83. 제 82 항에 있어서, 상기 열 전도성은 적어도 약 40W/m.K인 탄소 폼.
  84. 제 82 항에 있어서, 상기 폼의 특이 열 전도성은 약 75W.cm3/m.K.gm 이상인 탄소 폼.
  85. 제 82 항에 있어서, 상기 폼은 약 6000m2/m3의 특이 표면적을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  86. 제 82 항에 있어서, 적어도 약 90%는 100 미크론 기공 직경내 기공들로 집합된 탄소 폼.
  87. 제 82 항에 있어서, 상기 폼은 약 340 미크론 이하의 평균 기공 직경을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  88. 제 82 항에 있어서, 상기 폼은 실질적으로 타원형 기공인 탄소 폼.
  89. 탄소 폼을 제조하는 방법에 있어서,
    (1) 피치를 액화시키는 단계; 및
    (2) 탄소 폼을 생산하기 위해 비-산화, 초대기압 조건 하에서 약화된 피치를가열하는 단계
    를 포함하는 방법.
  90. 제 89 항에 있어서, 피치는 단계 (2)에서 탄소폼을 생산하는 초대기압보다 낮은 압력을 포함하는 비-산화 조건 하에서 가열하여 단계(1)에서 액화되는 방법.
  91. 제 89 항에 있어서, 단계(2)에서 상기 탄소 폼을 생산하는 상기 초 대기압 조건의 압력은 약 69atm(1000psi) 이하인 방법.
  92. 제 89 항에 있어서, 단계(2)에서 가열은 안정한 초대기압 하에서 수행되는 방법.
  93. 제 89 항에 있어서, 상기 단계(2)에서 가열은 약 480℃ 이하의 온도에서 수행되는 방법.
  94. 제 89 항에 있어서, 상기 단계 (2)에서 비-산화 초대기압 조건하에서 액화된 피치를 약 420℃ 및 약 480℃ 사이의 온도에서 가열하는 것을 포함하는 방법.
  95. 제 94 항에 있어서, 단계 (2)에서 가열은 적어도 약간의 포밍단계가 약 420℃ 및 약 480℃ 사이의 온도에서 일어나는 것과 같이 수행되는 방법.
  96. 제 89 항에 있어서, 단계 (2)에서 가열은 탄소 폼의 형성이 실질적으로 완전해질 때까지 압력 배출 없이 수행되는 방법.
  97. 제 89 항에 있어서, (3) 비-산화, 초대기압 조건 하에서 상기 탄소 폼을 가열하여 코크스화하는 단계를 포함하는 방법.
  98. 제 97 항에 있어서, 상기 단계 (3)에서 가열은 500℃ 이상의 온도에서 수행되는 방법.
  99. 제 97 항에 있어서, 단계 (3)의 온도는 적어도 15분간 유지되는 방법.
  100. 제 97 항에 있어서, 단계 (3)에서의 압력은 각각 단계 (2) 및 (3) 중에 실질적으로 일정한 방법.
  101. 제 97 항에 있어서, 단계 (2) 및 (3)에서의 압력은 동일한 방법.
  102. 제 97 항에 있어서, 단계 (3)에서 코크스화 중에 온도는 1000℃ 이하인 방법.
  103. 제 97 항에 있어서, 단계 (3)에서 코크스화 후에,
    (4) 단계 (3)에서 코크스화 하기 위한 것 보다 높은 온도의 비-산화 환경에서 가열하여 탄소 폼을 탄화시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  104. 제 103 항에 있어서, 코크스화된 폼은 단계 (4)에서 탄화되기 전에 냉각되는 방법.
  105. 제 104 항에 있어서, 단계 (4)에서 탄화한 후에:
    (5) 흑연 탄소 폼을 수득하기 위해 보다 높은 온도에서 더 가열하는 단계
    를 포함하는 방법.
  106. 제 97 항에 있어서, 단계 (3)에서 코크스화한 후에, 탄소 폼을 산화적으로 안정화시키지 않고 흑연 탄소 폼을 생산하기 위해 충분한 조건하에서 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  107. 유사한 기하형태의 기공들로 실질적으로 구성된 연린 셀 기공 구조를 지닌 피치-유도된 탄소 폼.
  108. 제 107 항에 있어서, 탄소 폼을 통해 서로연결된 지주들을 가진 것을 특징으로 하는 탄소 폼.
  109. 제 107 항에 있어서, 개방 셀 기공 구조가 본질적으로 평면의 횡단면 이미지가 실질적으로 동일한 기하형태인 기공으로 구성된 탄소 폼.
  110. 제 109 항에 있어서, 상기 횡단면 이미지는 실질적으로 원형 또는 타원형인 탄소 폼.
  111. 제 100 항에 있어서, 단계 (2) 및 (3)에서 압력은 실질적으로 동일한 방법.
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