一种制备高强高密各向同性石墨材料的方法技术

本发明专利技术提供了一种制备各向同性石墨材料的方法，采用D50大于20μm且挥发份含量低于7％的沥青中间相炭微球粉为原料，将原料粉加入至沥青的有机溶剂——脱除溶剂——压粉——等静压成型成生坯块——焙烧炭化——石墨化的自烧结工艺制备。本发明专利技术利用有机溶液法来分散沥青粘结剂，实现对大尺寸、低挥发份MCMB粉体的改性，改性后的MCMB颗粒基本保持了原来的形貌和尺寸，具有良好的自烧结性，最终获得的石墨结构精细均匀、密度较高、力学性能优异。由于分散改性后的MCMB，沥青分布均匀，在等静压成型步骤中生坯块内部应力分布更加均匀，在焙烧和石墨化工序中均衡膨胀收缩，因此，产品不容易开裂，成品率达90％以上。

【技术实现步骤摘要】
一种制备高强高密各向同性石墨材料的方法
本专利技术涉及一种石墨材料的制备方法，特别涉及一种以沥青中间相炭微球为原料的各向同性石墨材料的制备方法。
技术介绍
各向同性石墨具有比重小、机械强度高、导电导热性好和耐高温等特性，用途十分广泛。在电火花精密模具加工(精密锻造模、精密零件、工程塑料模等)行业中常使用细结构和超细结构各向同性石墨作为工具电极；在电子工业中，制取单晶硅的直拉单晶硅炉采用细结构各向同性石墨部件作为热场；核工业中的高温气冷堆需要大量的大规格各向同性石墨材料作为减速材料和反射材料，如核工业用石墨芯砖、热气管件等。除了优良的物理性能外，各向同性石墨在低温和超高温环境下还表现出良好的化学稳定性，不被液态金属和熔融盐所润湿，常用作金属铸模和热压模。目前各向同性石墨正向着“大规格、超细结构、更高强度、更高密度、多功能”的方向发展，相关精密制造领域对超细结构高密高强各向同性石墨的需求十分旺盛。目前制备各向同性石墨材料的方法一般为传统法和自烧结法。传统法以煅后焦(石油焦或沥青焦)为骨料来保证结构的稳定性，以沥青或树脂为粘结剂对骨料包覆、填充和搭接，使其致密化。这种方法生产周期达半年之久，效率低，能耗高，原料成本低但时间成本高，且产品尺寸受到限制。自烧结法的工艺过程则是将具有自烧结性的颗粒料一次性成型、焙烧、石墨化获取高强高密石墨，利用了原料的自烧结性而不需要外加粘结剂来辅助烧结。目前，自烧结法所采用的原料分别有生石油焦粉、不溶性沥青粉和沥青中间相炭微球(简称MCMB)等，其中MCMB是较为常用的自烧结原料，目前普遍采用热化学超细化和预氧化改性处理，以得到满足自烧结工艺要求的MCMB，这使得原本简洁的工艺复杂化，成本增加，因此不具规模生产的可能。目前工业化生产的MCMB成本低、原料易获得，但粒径较粗，D50为20μm以上，挥发份含量很低，低于7％，因此自烧结性较差，采用这种MCMB直接成型和热处理，所得的产品性能不佳。通过添加沥青增加挥发份含量改善其自烧结性是目前较普遍采用的方法，但采用沥青热熔融法(CN201310524396.5)或沥青超细粉碎法(CN201210580591.5和CN201210475299.7)均难以使沥青与沥青中间相炭微球均匀混合，导致制得的各向同性石墨材料性能较差。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种采用大尺寸、低挥发份中间相炭微球为原料制备各向同性石墨的工艺方法，该方法通过整体提高MCMB原料的粘结组份，且使粘结组分与MCMB混合均匀，从而改善其自烧结性能，降低生产成本，最终满足规模化生产的要求。本专利技术通过以下方案实现。一种制备各向同性石墨材料的方法，采用D50大于20μm且挥发份含量低于7％的沥青中间相炭微球粉为原料，采用原料压粉——等静压成型成生坯块——焙烧炭化——石墨化的自烧结工艺制备，所述原料压粉的制备包括以下步骤，首先在室温条件下，将沥青粉溶解于非极性有机溶剂中形成沥青溶液，然后将粒径D50大于20μm且挥发份含量低于7％的沥青中间相炭微球粉体加入沥青溶液中形成糊状物，再在一定温度下脱除糊状物中的非极性有机溶剂，冷却至室温后，将所述脱溶剂后的原料颗粒粉碎分散，制得沥青改性中间相炭微球压粉，所述沥青改性中间相炭微球压粉中挥发份含量占压粉总质量比例为10.0wt％～13.0wt％。糊状物中有机溶剂的脱除可采用如下步骤：首先将糊状物均匀平铺在面积较大的不锈钢盘内使溶剂自然挥发30～60min，然后在100～120℃烘箱中进行深度脱溶剂处理。非极性有机溶剂选择为对沥青具有较强的溶解能力，同时又不会与MCMB原料发生明显化学作用的有机溶剂，如四氢呋喃、四氯化碳、三氯乙烯、甲苯的一种或两种的混合物。实验发现所述沥青中间相炭微球与所述非极性有机溶剂的体积比为5:(3～4)时，糊状物混合均匀性较优，且可较易脱除溶剂。为确保不破坏MCMB的球形形貌和自烧结性，在所述脱溶剂后的原料颗粒粉碎分散步骤中，选择采用粉碎机，且在转速低于200r/min的条件下将原料颗粒粉碎分散至100目筛通过率为95％。所述焙烧炭化过程中，采用的炭化曲线为：是以50℃/h从室温升至180℃，10℃/h升至200℃，以6℃/h升至250℃，以3℃/h升至480℃，以6℃/h升至600℃，以12℃/h升至820℃，以36℃/h升至1100℃，再于1100℃保温2～4h后，随热处理装置降温至45℃以下取出，完成炭化。石墨化为现有常规工艺，即将经焙烧炭化后的炭块装入石墨化炉中，在2600℃下埋烧石墨化，随炉降温至100℃，取出后在空气中冷却至室温，制得各向同性石墨材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下特点和优点:1.本专利技术利用已大规模工业化生产的D50大于20μm且挥发份含量低于7％的沥青中间相炭微球粉为原料制备高强高密各向同性石墨，具有原料来源稳定、改性工艺简单、生产工序少、产品性能优异等优点。2.本专利技术利用有机溶剂来分散沥青粘结剂，实现对大尺寸MCMB粉体的改性，大大拓展了MCMB粉体在高强高密炭/石墨材料领域中的应用。改性后的MCMB颗粒基本保持了原来的形貌和尺寸，一部分沥青以铺展的形式附着在MCMB表面上，少部分沥青以超细微粒(≤2μm)的形式均匀分散在MCMB颗粒的周围，真正实现了沥青的均匀分散且不改变MCMB原有的形貌。从而最终获得的石墨结构精细均匀、密度较高、力学性能优异。3.由于采用沥青分散改性MCMB，在等静压成型步骤中生坯块内部应力分布更加均匀，在焙烧和石墨化工序中均衡膨胀收缩，成品率高达90％以上。4.在不需要循环浸渍沥青-炭化的条件下，仅一次成型、一次炭化、一次石墨化即可获取成品率高、性能优异的高强高密石墨，使生产周期由180天缩短至60天，提高了生产效率。5.采用通用的沥青来改性MCMB粉体，降低了原料成本低；脱除的非极性有机溶剂，通过增加回收装置可循环利用。具体实施方式实施例1一种各向同性石墨材料的制备方法，按以下步骤制得：1)首先将44.4g沥青粉在室温条件下，加入至300ml的甲苯溶剂中，搅拌，逐渐溶解，形成沥青的甲苯溶液；2)称取400gMCMB粉体，在室温搅拌条件下，将MCMB粉体加入沥青的甲苯溶液中，形成糊状物，MCMB粉体与甲苯的体积比为5:3；3)将上述糊状物均匀平铺在不锈钢盘中，放入通风橱中自然挥发30分钟，然后于110℃的烘箱中12h，脱除甲苯溶剂；4)采用功率较小的的粉碎机，在200r/min的转速下将脱溶剂后的原料颗粒粉碎分散至100目筛通过率为95％，制得压粉，压粉中挥发份含量占压粉总质量比例为10.0wt％。；5)将上述压粉缓慢地倒入Ф70mm的等静压成型专用模具中，旋转振动使压粉充实模具，密封后放入冷等静压机中，以25MPa/min的速度逐渐将压力升至125MPa,保压3min后,以75MPa/min的速度将压力降至50MPa，再以100MPa/min的速度将压力降至0MPa，脱模即得圆柱形生坯块；6)将生坯块放入不锈钢匣钵中，四周用石墨粉将其填埋，放入箱式电阻炉中按照一定的炭化曲线升温至1100℃,保温2h，随炉降温至45℃，取出冷却至室温即得炭化焙烧后的炭化块，炭化曲线为：是以50℃/h从室温升至180℃，10℃/h升至200℃，以6℃/h升至250℃，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备各向同性石墨材料的方法，包括原料压粉制备——等静压成型成生坯块——焙烧炭化——石墨化，其特征在于：所述原料压粉的制备包括以下步骤，首先在室温条件下，将沥青粉溶解于非极性有机溶剂中形成沥青溶液，然后将粒径D50大于20μm且挥发份含量低于7％的沥青中间相炭微球粉体加入沥青溶液中形成糊状物，再在一定温度下脱除糊状物中的非极性有机溶剂，冷却至室温后，将所述脱溶剂后的原料颗粒粉碎分散，制得沥青改性中间相炭微球压粉，所述沥青改性中间相炭微球压粉中挥发份含量占压粉总质量比例为10.0wt％～13.0wt％。。

【技术特征摘要】
1.一种制备各向同性石墨材料的方法，包括原料压粉制备——等静压成型成生坯块——焙烧炭化——石墨化，其特征在于：所述原料压粉的制备包括以下步骤，首先在室温条件下，将沥青粉溶解于非极性有机溶剂中形成沥青溶液，然后将粒径D50大于20μm且挥发份含量低于7％的沥青中间相炭微球粉体加入沥青溶液中形成糊状物，再在一定温度下脱除糊状物中的非极性有机溶剂，冷却至室温后，将所述脱溶剂后的原料颗粒粉碎分散，制得沥青改性中间相炭微球压粉，所述沥青改性中间相炭微球压粉中挥发份含量占压粉总质量比例为10.0wt％～13.0wt％。2.如权利要求1所述的制备各向同性石墨材料的方法，其特征在于：所述的非极性有机溶剂为四氢呋喃、四氯化碳、三氯乙烯、甲苯的一种或两种的混合物。3.如权利要求2所述的制备各向同性石墨材料的方法，其特征在于：所述沥青中间相炭微球与所述非极性有机溶剂的体积比为5:(3～4)。4.如权利要求1～3之一所述的制备各向同...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪波，秦东杰，陈惠，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43