高强高密热场石墨材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及碳材料技术领域，尤其涉及高强高密热场石墨材料及其制备方法。制备方法包括：(1)将碳骨料在150～350摄氏度下预处理，而后浸渍于含有氧化剂的溶液中，干燥后制得表面微氧化骨料；(2)将表面微氧化骨料分散于含有碳纳米材料和双亲性分子的混合溶液中，干燥后制得改性骨料；(3)将改性骨料和粘结剂分散于溶剂中，然后进行喷雾干燥，制得球形粉料；(4)将球形粉料进行等静压成型与石墨化处理。本发明专利技术通过多方面协同作用，共同提高等静压石墨结构的均匀性和机械强度，制备方法实用性和可操作性强，易于推广实施。易于推广实施。

【技术实现步骤摘要】
高强高密热场石墨材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳材料
，尤其涉及高强高密热场石墨材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]等静压石墨具有各向同性好、组织结构致密、抗热震性佳和耐化学腐蚀等优势，在航空发动机、汽轮机、单晶炉热场、石墨电极等行业均有广泛地应用。在单晶炉热场中，等静压石墨加热器作为热场系统的关键部件，需经受反复高温
‑
冷却过程并长期处于SiO气相侵蚀的环境中。因此，石墨加热器需要具备良好的抗热震性、微观结构均匀性和高机械强度，以减少恶劣工况下造成的开裂失效。
[0003]目前，等静压石墨常用的制备方法是采用石墨细粉和沥青粘结剂混捏后破碎筛分，经等静压成型、焙烧和石墨化获得最终成品。等静压成型一般需要细颗粒粉末，尤其是热场加热器中，石墨要求成型粉末粒径≤20μm并需要更高的抗拉强度，而细颗粒粉末由于比表面积较大，颗粒易发生搭接且内摩擦力大，导致粉末松装密度低、造成压力损失，影响压坯密度的均匀性并造成更大的弹性后效。因此，提升粉体的压坯性能就需要改善颗粒形状和流动性。
[0004]同时，由于沥青粘结剂熔融时黏度较大且与石墨亲和性不佳，即使采用混捏工艺也无法保证沥青良好地包覆在石墨表面，导致压坯均匀性差。而且，沥青碳化时将造成坯体不均匀收缩，导致坯体内部出现微裂纹。因此，改善粘结剂对石墨的包覆均匀性和亲和性，对等静压石墨的性能提升是至关重要的。此外，由于石墨制品脆性较高，热场石墨加热器复杂的结构加工也易使制品形成加工缺陷。
[0005]因此，如何制备一种结构均匀性好、抗热震性好和机械强度高的热场石墨材料，成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0006]鉴于此，本专利技术提供了一种热场石墨材料的制备方法，包括：
[0007](1)将碳骨料在150～350℃下预处理，而后浸渍于含有氧化剂的溶液中，干燥后制得表面微氧化骨料；
[0008](2)将所述表面微氧化骨料分散于含有碳纳米材料和双亲性分子的混合溶液中，干燥后制得改性骨料；
[0009](3)将所述改性骨料和粘结剂分散于溶剂中，然后进行喷雾干燥，制得球形粉料；
[0010](4)将所述球形粉料进行等静压成型与石墨化处理。
[0011]根据上述热场石墨材料的制备方法，步骤(2)中，所述碳纳米材料占所述混合溶液的重量百分比为0.1～10％；和/或，所述双亲性分子占所述混合溶液的重量百分比为0.05～30％。
[0012]根据上述热场石墨材料的制备方法，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯及改性石墨烯中的至少一种；和/或，
[0013]所述双亲性分子为聚乙烯醇、聚乙二醇、月桂醇硫酸钠、木质素磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠、烷基聚醚中的至少一种。
[0014]根据上述热场石墨材料的制备方法，所述碳骨料为鳞片石墨、人造石墨、中间相碳微球、沥青焦、石油焦、生焦中的至少一种；优选碳骨料的D
50
为20微米以下。
[0015]根据上述热场石墨材料的制备方法，所述氧化剂为高锰酸钾、双氧水、硝酸、次氯酸、硫酸中的至少一种；优选在含有氧化剂的溶液中，所述氧化剂的重量百分比为0.05～30％。
[0016]根据上述热场石墨材料的制备方法，所述粘结剂为沥青、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚氨酯中的至少一种。
[0017]根据上述热场石墨材料的制备方法，所述改性骨料和粘结剂的重量比为2～20：1；和/或，所述改性骨料与溶剂的重量百分比为1～30％。
[0018]根据上述热场石墨材料的制备方法，所述喷雾干燥的压力为0.3～0.8bar；和/或，进风温度为100～240℃，出风温度为60～140℃。
[0019]根据上述热场石墨材料的制备方法，等静压成型与石墨化处理的步骤包括：(1)将喷雾干燥后的球形粉料筛分至D
50
≤20μm，装入成型橡胶容器中振实、抽真空排气、阶段性升压、保压和卸压。≤30MPa时，升压速率为1MPa/min，保压10～60min；30MPa～最终成型压力，升压速率为2～10MPa/min，保压20～150min后卸压。其中，最终成型压力为80～200MPa，卸压速率为1～3MPa/min；
[0020](2)取出橡胶容器中的生坯，阶段性升温焙烧并在2000～2800℃石墨化后制得热场石墨材料。其中，焙烧升温曲线为室温～100℃，3
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5℃/min；100
‑
400℃，1℃/min，保温1～3h；400～750℃，1～2℃/min，保温1～3h；750～1100℃，2～5℃/min，保温1～5h。
[0021]根据上述热场石墨材料的制备方法，
[0022]进一步，本专利技术还提供了由上述任一制备方法制得的热场石墨材料。
[0023]进一步，本专利技术还提供了含有上述热场石墨材料的热场加热器。
[0024]本专利技术的有益效果在于：
[0025]通过对骨料进行表面微氧化和改性处理，增强粘结剂和骨料之间的亲和性，促使粘结剂在液相中更加均匀地包覆于骨料表面，从而减少后续焙烧时坯体不均匀收缩，提高制品结构的均匀性；同时，改性后的骨料与粘结剂通过喷雾干燥制粒，能够提升颗粒流动性，使其松装密度更高、更易压制，也可减少弹性后效的影响，从而获得高密高强、少缺陷的热场石墨材料。
[0026]本专利技术可通过多方面协同作用，共同提高等静压石墨结构的均匀性和机械强度，本专利技术的制备方法实用性和可操作性强，易于推广实施。
附图说明
[0027]图1是本专利技术不同实施例和对比例材料在不同温度下的氧化失重曲线图。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]作为本专利技术的一个实施例，本实施例提供了一种热场石墨材料的制备方法，包括：
[0030](1)将碳骨料在150～350℃下预处理，而后浸渍于含有氧化剂的溶液中，干燥后制得表面微氧化骨料；
[0031](2)将所述表面微氧化骨料分散于含有碳纳米材料和双亲性分子的混合溶液中，干燥后制得改性骨料；
[0032](3)将所述改性骨料和粘结剂分散于溶剂中，然后进行喷雾干燥，制得球形粉料；
[0033](4)将所述球形粉料进行等静压成型与石墨化处理。
[0034]本专利技术通过对骨料表面进行微氧化和改性处理，使骨料与粘结剂具有更高的亲和性，有利于粘结剂对骨料的包覆性，同时通过液相溶解粘结剂，可进一步加大粘结剂的流动性，与微氧化和改性处理协同作用下，提高粘结剂在改性骨料表面的均匀包覆性能，从而减少后续焙烧时坯体不均匀收缩，有效防止开裂失效问题。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热场石墨材料的制备方法，其特征在于，包括：(1)将碳骨料在150～350摄氏度下预处理，而后浸渍于含有氧化剂的溶液中，干燥后制得表面微氧化骨料；(2)将所述表面微氧化骨料分散于含有碳纳米材料和双亲性分子的混合溶液中，干燥后制得改性骨料；(3)将所述改性骨料和粘结剂分散于溶剂中，然后进行喷雾干燥，制得球形粉料；(4)将所述球形粉料进行等静压成型与石墨化处理。2.根据权利要求1所述的热场石墨材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述碳纳米材料占所述混合溶液的重量百分比为0.1～10％；和/或，所述双亲性分子占所述混合溶液的重量百分比为0.05～30％。3.根据权利要求1或2所述的热场石墨材料的制备方法，其特征在于，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯及改性石墨烯中的至少一种；和/或，所述双亲性分子为聚乙烯醇、聚乙二醇、月桂醇硫酸钠、木质素磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠、烷基聚醚中的至少一种。4.根据权利要求1～3中任一项所述的热场石墨材料的制备方法，其特征在于，所述碳骨料为鳞片石墨、人造石墨、中间相碳微球、沥...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：三一集团有限公司，
类型：发明
国别省市：