一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料及其制备方法。所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料主要由天然鳞片石墨、碳化硅、玻璃碳和孔隙构成。称取天然鳞片石墨粉末、酚醛树脂粉末、硅粉和可膨胀石墨粉末，采取机械搅拌方式混合均匀，获得石墨基3D打印混合粉末；利用选择性激光烧结成型工艺快速制备石墨原型件，二次固化处理；真空压力浸渍液态酚醛树脂、烘干固化；碳化处理；真空压力浸渍硅溶胶溶液、烘干；高温烧结，获得石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料。所制备的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料导热系数≤2.0W/m·k、较高的抗压强度≥10MPa、能够承受高温金属液冲击≥1600℃、可重复不少于50次使用。

A graphite based silicon carbide ceramic composite thermal insulation material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料及其制备方法
本专利技术涉及一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料及其制备方法，属于复合材料成形制造
技术背景在采用石墨型大规模、连续生产复杂铸钢件过程中，考虑到铸件各部分壁厚的不均匀性以及高密度高强度人造石墨型高导热特性（其导热系数为60~150W/m·k），一般要采取石墨型挂砂衬铸造工艺。石墨型挂砂衬铸造基本工艺过程如下：首先将高密度高强度人造石墨坯体机械切削加工成铸型型腔，然后在其上“构筑”水玻璃砂衬，获得石墨水玻璃型砂复合型，最后将高温金属液浇注复合型型腔中，待冷却凝固后，获得铸件。采取上述工艺虽然增加了工艺操作难度和生产成本，但因水玻璃砂型导热系数低（小于2.0W/m·k），保温效果佳，与高导热石墨型配合，可以调控浇铸温度场，调整铸件各部分冷却速度，实现顺序凝固，保证高温金属液补缩通道畅通，防止浇不足、冷隔、缩松、缩孔等缺陷产生，保证铸件质量。石墨挂砂衬工艺存在以下不足：（1）该工艺对水玻璃砂品质要求较高，面临资源性市场短缺的问题；（2）水玻璃砂再生利用技术开发难度大，回收利用率低；（3）水玻璃砂为固废垃圾，废砂处理环保成本高；（4）水玻璃砂耐高温性能差，容易造成铸件表面粘砂缺陷；（5）水玻璃砂衬成型工艺复杂，混砂、射制、硬化、喷涂和模龄等工艺过程控制要求较高；（6）水玻璃砂衬抗压强度低（仅2-3MPa），仅为一次性使用，生产成本相对较高。总之，亟需开发一种低导热、高强度、耐高温和可多次重复使用的复合隔热材料，替代水玻璃砂衬，降低生产成本，减轻环保压力。
技术实现思路
本专利技术提供一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料制备方法。所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料由天然鳞片石墨粉末、碳化硅晶须、玻璃碳和孔隙构成，其中，天然鳞片石墨质量分数不低于50wt%，碳化硅质量分数控制在5~25%之间、余为玻璃碳，复合隔热材料的孔隙率不低于50%，其中闭孔隙率不低于25%。所述的制备方法主要由以下工艺环节组成：（1）按照一定的质量比称取天然鳞片石墨粉末、酚醛树脂粉末、硅粉和可膨胀石墨粉末，采取机械搅拌方式混合均匀，获得石墨基3D打印混合粉末；（2）利用选择性激光烧结成型工艺快速制备石墨原型件，并对其进行二次固化处理；（3）真空压力浸渍液态酚醛树脂、烘干固化；（4）碳化处理；（5）真空压力浸渍硅溶胶溶液、烘干；（6）高温烧结，获得石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料。本专利技术是这样实现上述目的的：所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料具有较低的导热系数、较高的抗压强度、能够承受高温金属液冲击、可多次重复使用，上述性能主要受到其内部各物相组成及其相互结合状态的影响。通过改变石墨基3D打印混合粉末组成以及真空压力浸渍、碳化和高温烧结等后处理工艺可以调整石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料内部各组成物的数量、形态及其相互结合状态，进而调控复合材料性能。如通过改变天然鳞片石墨粉末的粗细颗粒大小，调整石墨陶瓷复合隔热材料内部粉末堆积状态、孔隙的数量、大小和形态，从而对其性能进行调控。如通过改变真空压力浸渍工艺参数（如真空度、浸渍时间、外加压力和浸渍次数）控制酚醛树脂和硅溶胶浸渍量，从而调整复合隔热材料的性能。如碳化处理后因酚醛树脂热解会产生许多微小的孔洞，碳化工艺参数如升温速率会对孔隙的数量、大小和形态有所影响，从而对石墨陶瓷复合隔热材料综合性能有所影响。如在高温和高纯氮气或氩气保护下，硅粉与玻璃碳（酚醛树脂碳化后的产物）发生碳热还原反应生成碳化硅增强相，一方面提高了石墨陶瓷复合隔热材料的致密度，另一方面使其导热性能和抗压强度有所增加，可通过改变硅粉加入量可以调控复合材料性能。如碳化时，因可膨胀石墨受热膨胀在石墨陶瓷复合隔热材料内部形成许多闭气孔，这对复合隔热材料的导热性能和抗压强度均有影响，可通过改变可膨胀石墨粉末加入量以及膨胀倍率可以实现低导热高抗压的协同。所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料的组成物为天然鳞片石墨、玻璃碳和碳化硅，均具有良好的耐高温能力，故所述的复合隔热材料具有抗高温能力。采取选择性激光烧结成型工艺能够将片状天然鳞片石墨粉末排列组合起来，使之导热性能和力学性能具有明显的方向性，垂直于天然鳞片石墨排列的方向导热系数较低，而抗压强度较高。天然鳞片石墨粉末具有良好的抗热震性，确保复合隔热材料多次重复使用。所述的石墨陶瓷复合隔热材料制备方法主要包括以下工艺环节：（1）石墨基3D打印混合粉末制备按照一定的质量比，称取天然鳞片石墨粉末、酚醛树脂粉末、金属硅粉和可膨胀石墨粉末，然后将它们分批置入滚筒式球磨机中机械搅拌混合均匀，获得石墨3D打印混合粉末。（2）选择性激光烧结成型石墨原型件采取选择性激光烧结成型工艺对步骤（1）所制备的石墨3D打印混合粉末打印成型，取出素坯，放入烘箱中进行二次固化，获得石墨原型件；（3）真空压力浸渍酚醛树脂液将步骤（2）中石墨原型件放入真空压力浸渍机中，抽真空后加入到酚醛树脂溶液，在压力作用下浸渍一段时间后取出，清理表面残留的酚醛树脂溶液，烘干，再次固化；（4）碳化处理将真空压力浸渍处理后石墨原型件置入碳化炉中，先抽真空，随后通入高纯氩气或氮气，进行碳化处理，获得石墨预制体；（5）真空压力浸渍硅溶胶将石墨预制体放入真空压力浸渍机中，在真空压力条件下，浸渍硅溶胶溶液，取出，烘干；（6）高温烧结将真空压力浸渍处理后的石墨预制体置入高温烧结炉中，先抽真空，随后通入高纯氩气或氮气，进行高温烧结，获得石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料。优选地，所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的天然鳞片石墨粉末的质量分数为54~79.9%，酚醛树脂粉末的质量分数为15~30%，金属硅粉的质量分数为5~15%，可膨胀石墨的质量分数为0.1~1.0%。优选地，天然鳞片石墨粉末为100~900目，含碳量大于99%；酚醛树脂粉末为200~500目；金属硅粉为100~300目，化学纯度为99%；可膨胀石墨为50~200目，膨胀倍率为100~600，含碳量大于99%。优选地，所述选择性激光烧结成型工艺参数为：分层厚度0.1~0.2mm，填充速度1500~3000mm/s，填充功率10~30W，填充间距0.1~0.2mm，轮廓速度500~1000mm/s，预热温度30~40℃。优选地，所述真空压力浸渍液态酚醛树脂溶液的步骤是：先将石墨原型件放入真空压力浸渍机中，随后抽真空至0.1MPa以下，再加入浓度为25~40wt%的酚醛树脂液，在外加0.1~0.8MPa压力作用下真空压力浸渍时间30-120s，最后取出，放入50~70℃干燥箱中烘干，再次固化，得到浸渍有酚醛树脂的石墨原型件。优选地，所述二次固化和再次固化处理工艺为：先在90~110℃保温15~30min；随后在120~130℃保温15~30min；最后在160~180℃保温30~60min。优选地，所述碳化工艺为：先抽真空至0.2MPa以下，以30~120本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料，其特征在于，所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料由天然鳞片石墨粉末、碳化硅晶须、玻璃碳构成，其中，天然鳞片石墨粉末质量分数不低于50wt%，碳化硅晶须质量分数控制在5~25%之间，余为玻璃碳。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料，其特征在于，所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料由天然鳞片石墨粉末、碳化硅晶须、玻璃碳构成，其中，天然鳞片石墨粉末质量分数不低于50wt%，碳化硅晶须质量分数控制在5~25%之间，余为玻璃碳。


2.根据权利要求1所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料，其特征在于，所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料包含有空隙，其中孔隙率不低于50%，其中闭孔隙率不低于25%。


3.根据权利要求1或2所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下工艺过程：
（1）石墨基3D打印混合粉末制备
称取天然鳞片石墨粉末、酚醛树脂粉末、金属硅粉和可膨胀石墨粉末，然后将它们分批置入滚筒式球磨机中机械搅拌混合均匀，获得石墨3D打印混合粉末；
（2）选择性激光烧结成型石墨原型件
采取选择性激光烧结成型工艺对步骤（1）所制备的石墨3D打印混合粉末打印成型，取出素坯，放入烘箱中进行二次固化，获得石墨原型件；
（3）真空压力浸渍酚醛树脂液
将步骤（2）中石墨原型件放入真空压力浸渍机中，抽真空后加入到酚醛树脂溶液，在压力作用下浸渍一段时间后取出，烘干，再次固化；
（4）碳化处理
将真空压力浸渍处理后石墨原型件置入碳化炉中，先抽真空，随后通入高纯氩气或氮气，进行碳化处理，获得石墨预制体；
（5）真空压力浸渍硅溶胶
将石墨预制体放入真空压力浸渍机中，在真空压力条件下，浸渍硅溶胶溶液，取出，烘干；
（6）高温烧结
将真空压力浸渍处理后的石墨预制体置入高温烧结炉中，先抽真空，随后通入高纯氩气或氮气，进行高温烧结，获得石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料。


4.根据权利要求3所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的天然鳞片石墨粉末的质量分数为54~79.9%，酚醛树脂粉末的质量分数为15~30%，金属硅粉的质量分数为5~15%，可膨胀石墨的质量分数为0.1~1.0%；
所述的天然鳞片石墨粉末为100~900目，含碳量大于99%；酚醛树脂粉末为200~500目；金属硅粉为100~300目，化学纯度为99%；可膨胀石墨为50~200目，膨胀倍率为100~600，含碳量大于99%。


5.根据权利要求4所述的石墨基碳化硅陶瓷复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海华，王治纲，里奇·彼龙，任超群，左跃，王涛，王浩，陈奎，孙瑜，杨召利，郑跃鹏，马德清，汪耀，奈杰·阿戴尔，
申请(专利权)人：三峡大学，信阳同合车轮有限公司，美国安施德铁路公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42