一种碳材料成型工艺及成型制件制造技术

本发明专利技术提供一种碳材料成型工艺及成型制件，包括以下步骤：（1）将碳材料粉末与粘结剂混合、造粒；（2）注塑成碳材料注塑坯；（3）脱蜡工艺处理；（4）在200℃-800℃下进行预烧脱除全部粘结剂，得预烧坯；（5）在保护气氛下继续升温至1000-2500℃对预烧坯进行烧结，然后保温1-10h得烧结制件。本发明专利技术对碳材料注塑坯先进行脱蜡工艺处理后，再分三段温度进行平稳、缓慢的预烧，将碳材料中添加的粘结剂全部彻底地脱除掉，以改善后续烧结、降低制件的孔隙率、提高制件材料的热导率、电导率和外观整体质量。

【技术实现步骤摘要】
一种碳材料成型工艺及成型制件
本专利技术涉及石墨
，具体涉及一种碳材料成型工艺及成型制件。
技术介绍
人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，而石 墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这 种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯一直以来被认为是假设性的结构，无法 单独的存在。直至2004年，英国的物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁偌奥·肖洛夫，成功 的在实验中从石墨分离出石墨烯，从而证实它是可以单独存在的，二人也因二维石墨烯的 开创性实验而共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，从2006年开始，研究论文急剧增加。 作为形成纳米尺寸晶体管和电路的后硅时代的新潜力材料，石墨烯具有非凡的物理及电 学性质，如高导电性、机械强度高、透明度好、高导热性等。这些优异的性能使其在高速晶体 管、传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种领域有光明的应有前景。 石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法2种，其中机械法包括微机械分离法、 取向附生法和加热碳化硅法，化学法包括化学还原法与化学解理法等。 微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，可获得高品质石墨 烯，且成本低，但缺点是石墨烯薄片尺寸不易控制，无法可靠地制造出长度足供应用的石墨 薄片样本，不适合量产。取向附生法是利用生长基质原子结构种出石墨烯，石墨烯性能 令人满意，但往往厚度不均匀。加热碳化硅法能可控地制备出单层或多层石墨烯，是一种非 常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法，但制备大面积具有单一厚度的石 墨烯比较困难。 化学还原法能够低成本制备石墨烯，但很难制备出高品质的石墨烯薄片。化学解 理法是利用氧化石墨通过热还原方法制备石墨烯，是一种重要的石墨烯制备方法。其中化 学气相沉积法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法，其最大优点在于可制备出面积较大 的石墨烯片，但其缺点是必须在高温下完成，且在制作过程中，石墨烯膜有可能形成缺陷。 而经过改进的微波等离子体化学气相沉积法，其处理温度较低，只有大约400°C，但是仍然 不适于量产。 在这些工艺的基础上，国外石墨烯的研究开始转入如何降低成本并大规模制备的 阶段。如韩国科学家使用化学气相沉积法，在制备大尺寸、高质量石墨烯薄膜方面取得了重 大突破，生产出高纯度石墨烯薄膜，还把它们贴在透明可弯曲的聚合物上，制成了一种透 明电极--这算得上是化学气相沉积法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一；美国加州大 学洛杉矶分校研究人员开发了制造石墨烯和碳纳米管混合材料的新方法，制作出一种新型 的石墨烯纳米结构--介孔石墨烯，可以用于大规模生产以介孔石墨烯为基础的半导体集 成电路；日本研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜。 然而，如何利用制备出的石墨烯粉末或薄膜成型出具有一定形状、高导电、高导 热、孔隙率低、成本低的石墨烯制件仍旧是一个有待解决的难题。且迄今为止，仍未见有文 献报道。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种成型工艺简单、能够成型出具有一定形状、高质量 制件的碳材料成型工艺。 本专利技术的第二个目的是提供一种孔隙率低、导电、导热性能优异的碳材料制件。 除非另外定义，本文所使用的所有科技术语具有如本专利技术所属领域中的普通技术 人员所共知的相同含义。在矛盾的情况下，以包括定义的本说明书为准。 本专利技术描述了合适的方法和材料，但类似于或相当于本专利技术所述方法和材料可用 于实施或检验本专利技术。本专利技术中，所述的份数都为重量份数。 本专利技术中，所述的注塑机(也称注塑成型机）是指在一定的压力下，将塑料或橡胶 注入成型模中具制成各种形状的一种成型设备。 本专利技术中碳材料为本领域所公知的含义，包括但不限于碳黑、石墨、碳纳米管、富 勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、纳米碳球、金刚石、碳纳米纤维。 一种碳材料成型工艺，其特征在于：包括以下步骤 (1) 将碳材料粉末与粘结剂混合成均质的喂料，然后将其置入注塑机进行注塑成型，制 得碳材料注塑坯； (2) 对碳材料注塑坯先进行脱蜡工艺处理； (3) 将经脱蜡工艺处理后的碳材料注塑坯在温度为200°C-800°c下进行预烧脱除全部 的粘结剂，得预烧坯； (4) 然后在保护气氛下继续升温至1000-250(rC对预烧坯进行烧结I-IOh得烧结制件。 优选的，在所述的步骤（1)- (4)中的任一步或多步中，添加强度为20_2000kv/m的电场，使针状碳材料内部在轴向方向进行取向或者使片状碳材料卷曲部分在二维空间内 舒展。 优选的，所述的步骤（1)中的原料还加入低熔点金属和/或低熔点金属合金，其用 量占所述碳材料粉末质量的0. 1-100% ;所述粘结剂的用量占碳材料粉末质量的2-200%。 更优的是，低熔点金属、低熔点金属合金粒径和碳材料粉末的粒径相同均为 0.001-20μm。 所述的低熔点金属包括铁、锰、钴、铜、钡中的至少一种。 所述的低熔点金属与低熔点金属合金的熔点范围是1000-2500°C。 所述步骤（1)中碳材料粉末的平均粒径为0. 001-20μm;所述的碳材料是石墨、石 墨烯、碳黑、氧化石墨烯、碳纳米管、金刚石中的一种或多种。 所述步骤（1)中粘结剂由热塑性树脂、蜡组成，其中热塑性树脂的质量占粘结剂总 质量的 5-95 (wt) %。 所述粘结剂中还包括硬脂酸，所述的热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、乙 烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种；所述的蜡为石蜡、巴西棕榈蜡中的至少一种。 具体的粘结剂是由以下份数的组分组成：50份石蜡和50份低密度聚乙烯； 或20份聚丙烯、10份石蜡、68份巴西棕榈蜡和1份硬脂酸； 或10份乙烯-醋酸乙烯共聚物、79份石蜡、10份巴西棕榈蜡和1份硬脂酸； 或70份聚苯乙烯，15份聚丙烯，10份聚乙烯，5份石蜡。 优选的，所述步骤（2)中的脱蜡工艺处理是指将碳材料注塑坯置于炉内于 150-200°C加热l_30h;或将碳材料注塑坯浸润在温度为25-50°C的溶剂中0. 5-5h。 所述溶剂为正庚烷、环己烷、氯甲烷、汽油中至少一种。 所述步骤（3)中预烧过程分成三段预烧，其中一段温度为200-300°C，保 温30-180min;二段温度为300-500°C，保温30-180min;三段温度为500-800°C，保温 30-180min;粘结剂脱除完成后，再升温至900-1000°C，保温l_2h，预烧得到具有一定强度 的预烧坯。 所述步骤（3)中在预烧前通入保护气氛。 优选的，所述的保护气氛为氢气、氩气、甲烷、氮气或真空气体状态中的至少一种。 本专利技术的另一个目的是提供一种上述碳材料成型工艺制备的制件，所述制件的孔 隙率为〇· 1-2. 5%。 优选的，所述的烧结制件中碳材料为石墨烯，其电导率为29000-67000s/m，热导率 为 2500-4900w/mk。 通过本专利技术成型工艺成型的制件应用于高速晶体管、传感器、激光器、触摸面板、 蓄电池或高效太阳能电池。 本专利技术中碳材料注塑坯的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳材料成型工艺，其特征在于：包括以下步骤：（1）将碳材料粉末与粘结剂混合成均质的喂料，然后将其置入注塑机进行注塑成型，制得碳材料注塑坯；（2）对碳材料注塑坯先进行脱蜡工艺处理；（3）将经脱蜡工艺处理后的碳材料注塑坯在温度为200℃‑800℃下进行预烧脱除全部的粘结剂，得预烧坯； （4）然后在保护气氛下继续升温至1000‑2500℃对预烧坯进行烧结，然后保温1‑10h得烧结制件。

【技术特征摘要】
1. 一种碳材料成型工艺，其特征在于：包括以下步骤： (1) 将碳材料粉末与粘结剂混合成均质的喂料，然后将其置入注塑机进行注塑成型，制 得碳材料注塑坯； (2) 对碳材料注塑坯先进行脱蜡工艺处理； (3) 将经脱蜡工艺处理后的碳材料注塑坯在温度为200°C -800°C下进行预烧脱除全部 的粘结剂，得预烧坯； (4) 然后在保护气氛下继续升温至1000-250(rC对预烧坯进行烧结，然后保温l-10h得 烧结制件。2. 根据权利要求1所述的一种碳材料成型工艺，其特征在于：在所述的步骤（1)- (4) 中的任一步或多步中，添加强度为20-2000kv/m的电场，使针状碳材料内部在轴向方向进 行取向或者使片状碳材料卷曲部分在二维空间内舒展。3. 根据权利要求1所述的一种碳材料成型工艺，其特征在于：所述的步骤（1)中的原料 还加入低熔点金属和/或低熔点金属合金，其用量占所述碳材料粉末质量的〇. 1-100% ;所 述粘结剂的用量占碳材料粉末质量的2-200%。4. 根据权利要求3所述的一种碳材料薄膜成型工艺，其特征在于：所述的低熔点金属 包括铁、锰、钴、铜、钡中的至少一种。5. 根据权利要求3所述的一种碳材料薄膜成型工艺，其特征在于：所述的低熔点金属 与低熔点金属合金的熔点范围是l〇〇〇-2500°C。6. 根据权利要求1所述的一种碳材料成型工艺，其特征在于：所述步骤（1)中碳材料 粉末的平均粒径为〇. 001-20 y m ;所述的碳材料为石墨、石墨烯、碳黑、氧化石墨烯、碳纳米 管、金刚石中的一种或多种。7. 根据权利要求1所述的一种碳材料成型工艺，其特征在于：所述步骤（1)中粘结剂是 由热塑性树脂、蜡组成，其中热塑性树脂的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨桂生，姚晨光，李万里，
申请(专利权)人：合肥杰事杰新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34