一种低电阻率各向同性石墨的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种各向同性石墨的制备方法，原料为：20~35%的高纯石墨粉、20~35%的石油焦、20~40%的沥青焦、15~25%的改质沥青和1~5%的表面活性剂；制备包括：将各原料分别进行第一次磨粉；将高纯石墨粉、石油焦和沥青焦混合，加热到150~180℃同时抽真空，然后加入改质沥青和表面活性剂进行加温、加压搅拌，保持温度在180~200℃；将混合均匀的原料进行扎片；进行第二次粉碎，然后搅拌均匀；将混合均匀的原料采用多孔模具进行等静压成型，得到各向同性石墨生坯，最后进行焙烧。本发明专利技术解决了石墨生坯电阻率高及均质性差的技术难题，获得均质性好的低电阻率石墨生坯，与传统电阻率相比低1倍。

【技术实现步骤摘要】
一种低电阻率各向同性石墨的制备方法
本专利技术涉及一种石墨加工工艺，具体涉及一种各向同性石墨的制备方法。
技术介绍
大规格各向同性石墨材料具有良好的导电性、抗热振性、耐腐蚀性和耐高温、高强度、高硬度、自润滑、防辐射、高熔点、高稳定等特性，已广泛应用于航空航天、国防军工、核反应堆和半导体、电子、冶金等高科技领域，成为二十一纪最重要的战略性新兴材料。由于各向同性石墨属于战略物资，国外长期对我国进行技术封锁，导致大规格各向同性石墨生产被国外企业垄断。我国应用企业全部依赖进口，成本高且使用受到严格限制，严重制约了我国国防及高端应用行业的发展。采用传统方法焙烧大规格各向同性石墨生坯时因内部结构不均匀，造成温度传递不均匀，内外温差过大，从而内部产生的内应力也不一致，最终导致70%以上产品在焙烧过程中开裂报废，造成巨大损失。这也是国内目前没有企业能生产直径超过1米以上的大规格各向同性石墨的主要原因。现有大规格各向同性石墨焙烧工艺多采用环式焙烧炉加热方式，热量由外向内传递，产品规格越大，焙烧装备越差，产品内外温差就越大，热膨胀及收缩不一致，导致产品产生因裂纹，合格率极低，至目前为止还不能批量生产￠800以上产品。国外均采用热传递比较均匀的“抽屉式焙烧炉”进行热处理。“抽屉式焙烧炉”设计技术复杂，要求高、造价高、能耗高，尽管热分布均匀，但由于是外加热方式，产品受热是由外至内的一个传递过程，产品内外温差仍很大，内外膨胀及收缩不一致，从而导致产品因应力不同产生裂纹。必须采取非常缓慢的加热速率，才能保证产品少产生裂纹。由于焙烧时间长，能耗就高，但合格率仍只有75%左右。专利技术内容本专利技术的目的是提供一种各向同性石墨的制备方法，得到的石墨生坯均质性好、电阻率低。本专利技术的另一个目的是提供一种大规格各向同性石墨生坯的焙烧方法，热传递均匀，合格率高。本专利技术各向同性石墨的制备方法，原料按重量百分比采用：20~35%的高纯石墨粉、20~35%的石油焦、20~40%的沥青焦、15~25%的改质沥青和1~5%的表面活性剂，合计100%；其中高纯度石墨粉要求含炭量99.9%以上；制备包括下述步骤：1）将各原料分别进行第一次磨粉；2）将高纯石墨粉、石油焦和沥青焦混合，加热到150~180℃同时抽真空，然后加入改质沥青和表面活性剂进行加温、加压搅拌，保持温度在180~200℃；3）将混合均匀的原料进行扎片；4）进行第二次粉碎，然后搅拌均匀；5）将混合均匀的原料采用多孔模具进行等静压成型，得到各向同性石墨生坯，最后进行焙烧；所述多孔模具在四周均布有多个孔。所述高纯度石墨粉要求灰分低于300ppm，D50在15~25μm；改质沥青要求高温软化点温度在100~115℃，挥发份少于45%，水分低于1%，灰分少于0.3%，喹啉不溶物含量低于8%；表面活性剂含有8个以上碳原子烃链。所述石油焦的挥发份少于0.5%，水分低于0.5%，灰分少于0.5%，电阻率低于500µΩ•m。沥青焦硫分少于0.5%，挥发份少于0.5%，水分低于0.5%，灰分少于0.5%，电阻率低于550µΩ•m。第一次磨粉颗粒直径控制在20~30μm，第二次磨粉后颗粒直径少于50μm。步骤2）将高纯石墨粉、石油焦和沥青焦混合1~1.5小时，抽真空真空度要求低于－80KPa，处理时间不小于1小时。步骤2）加入改质沥青和表面活性剂进行加温、加压搅拌，压力0.2~2MPa，时间2~2.5小时。步骤4）二次磨粉后的原料搅拌30~40分钟。本专利技术大规格各向同性石墨生坯的焙烧工艺，先按上述方法生产出各向同性石墨生坯，然后采用串接式电焙烧石墨生坯：在炉头电极和炉尾电极之间设置首尾串接的石墨生坯块，生坯和生坯、生坯和电极板之间设置柔性石墨垫，炉尾安装自动伸缩压力装置与电极相连，根据电焙烧过程中石墨生坯的膨胀和收缩自动伸缩。本专利技术的低电阻率各向同性石墨生坯制备方法，利用原料配方和工艺方法的改进，实现了石墨各向同性成型，解决了石墨生坯电阻率高及均质性差的技术难题，获得均质性好的低电阻率石墨生坯，与传统电阻率相比低1倍。具体来说，本专利技术低电阻率各向同性石墨生坯的制备方法主要有三个关键创新：①改变原料配方；目前现有各向同性石墨原料为42%石油焦，40%沥青焦，18%沥青制成。因石油焦、沥青焦均未作高温处理，此原料制成的生坯电阻率超过2000µΩ•m，不适合串接式电焙烧。本专利技术首次使用了一定比例的高纯石墨粉、再配一定比例的石油焦、沥青焦、改质沥青及表面活性剂制备而成。使石墨生坯的导电性提高，电阻率由原2000µΩ•m下降至1000µΩ•m以下，获得适合于串接式电焙烧石墨生坯。②改进原料均匀混合技术；原料混合的均匀性直接影响产品热传递的均匀性和内应力的一致性。现有大规格各向同性石墨生产失败的原因之一是原料均匀混合技术没有攻关，各种原料粉碎后没有均匀的分散包裹，导致在热处理过程中产品膨胀和收缩不一致而产生裂纹。本专利技术一是采用改质沥青（ModifiedPitch），流动性比普通沥青提高20%；二是在改质沥青中加入3%左右的表面活性剂，改善其在炭质粉末表面的浸润性，通过沥青在炭质粉末表面的自发铺展，实现炭质粉料与沥青的均匀混合；三是改常压混捏为先对炭质粉料抽真空，加入沥青粘结剂后再加压混捏的工艺措施，使沥青渗入炭质粉料的微孔中，与表面被覆的沥青同步炭化，通过“钉扎效应”和“粘结效应”二者的协同作用，显著提高沥青炭与炭质粉料的结合力，确保混合更均匀，且提高了原料的力学性能。③成型方式；现有生产各向同性石墨时一般采用二次成型工艺：即首先将粉未放在钢模内，用四柱压机压制成体积密度为1.1g/cm3的预压品；然后将预压品再放入等静压机内压制，使体积密度增高至1.5-1.6g/cm3。由于等静压之前已进行预压成型，造成原料有一定的取向，形成各向异性。产品尺寸越大，各向异性越明显。最终造成产品在焙烧过程中热膨胀及冷收缩不一致而开裂。本专利技术创新之处是实现了一次性粉末直接各向同性成型技术，省略了预压成型工序，原料在多孔模具内360度同时受到均匀压力压制而成（传统压制方式为上下受力），保障了产品内外受力一致，产出真正各向同性石墨生坯。本专利技术生产出的均质低电阻率大规格各向同性石墨生坯，可采用串接式电焙烧方式进行热处理，解决了大规格各向同性石墨在热处理过程中因热传递不均匀、内应力控制技术未攻关等原因造成的大部分产品内部产生裂纹而报废的风险。因为石墨生坯或炭制品具有良好的导电性能，相当于发热电极，将生坯串接在一起并与炉头电极组成串联回路，利用生坯自身的电阻发热完成产品加热过程。由于通电后生坯内外会同时被升温加热，因此热传递和升温非常均匀，可保障产品内外热膨胀及冷收缩同步，减少了因内应力不一致而产生的裂纹，因而可大幅度提高产品合格率（合格率可提高到85%），并保障环境不受染污。具体来说，本专利技术大规格各向同性石墨生坯的焙烧方法也主要有三个关键创新：①石墨生坯热处理方式；首次提出用串接式电焙烧工艺（内外整体加热）代替传统燃煤外加热方式，取消了由外至内的传热方式，取消了辅料传热，减少了辅料的挥发、损耗、投入，降低节员工劳动强度。石墨生坯即是产品又是导电电极，加热均匀、加热速度比原来快30%以上，产品合格率提高55%。采用了多路合并串接方式，每炉可装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种各向同性石墨的制备方法，原料按重量百分比采用：20~35%的高纯石墨粉、20~35%的石油焦、20~40%的沥青焦、15~25%的改质沥青和1~5%的表面活性剂，合计100%；其中高纯度石墨粉要求含炭量99.9%以上；制备包括下述步骤：1）将各原料分别进行第一次磨粉；2）将高纯石墨粉、石油焦和沥青焦混合，加热到150~180℃同时抽真空，然后加入改质沥青和表面活性剂进行加温、加压搅拌，保持温度在180~200℃；3）将混合均匀的原料进行扎片；4）进行第二次粉碎，然后搅拌均匀；5）将混合均匀的原料采用多孔模具进行等静压成型，得到各向同性石墨生坯，最后进行焙烧；所述多孔模具在四周均布有多个孔。

【技术特征摘要】
1.一种各向同性石墨的制备方法，原料按重量百分比采用：20~35%的高纯石墨粉、20~35%的石油焦、20~40%的沥青焦、15~25%的改质沥青和1~5%的表面活性剂，合计100%；其中高纯度石墨粉要求含炭量99.9%以上；改质沥青要求高温软化点温度在100~115℃，挥发份少于45%，水分低于1%，灰分少于0.3%，喹啉不溶物含量低于8%；石油焦的挥发份少于0.5%，水分低于0.5%，灰分少于0.5%，电阻率低于500µΩ•m；沥青焦硫分少于0.5%，挥发份少于0.5%，水分低于0.5%，灰分少于0.5%，电阻率低于550µΩ•m；制备包括下述步骤：1）将各原料分别进行第一次磨粉；2）将高纯石墨粉、石油焦和沥青焦混合，加热到150~180℃同时抽真空，然后加入改质沥青和表面活性剂进行加温、加压搅拌，保持温度在180~200℃；3）将混合均匀的原料进行扎片；4）进行第二次粉碎，然后搅拌均匀；5）将混合均匀的原料采用多孔模具进行等静压成型，得到各向同性石墨生坯，最后进行焙烧；所述多孔模具在四周均布有多个孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金平，刘洪波，杨程，于新春，
申请(专利权)人：湖南省长宇新型炭材料有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43