一种超细结构各向同性石墨材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超细结构各向同性石墨材料的制备方法，包括如下步骤：将各种原料粉碎得到原料混合物，在沥青有机溶液中加入氧化石墨烯，形成均匀的浆料；然后将原料混合物与浆料混合后进行加热烘干、粉碎、过筛、成型、焙烧、浸渍和石墨化后得到各向同性石墨材料。本发明专利技术通过加入生石油焦、半石油焦和中间相炭微球，改善了传统石墨制备中沥青与骨料间较大的收缩比，使各骨料和沥青协同收缩，减少裂纹与孔隙的产生，提高石墨材料的密实度与热处理成品率；通过在沥青有机溶液中添加氧化石墨烯有效提高了沥青溶液流动性，使沥青在骨料颗粒表面均匀包覆，石墨烯分布在骨料之间可有效抑制裂纹的产生与扩展，从而提高了石墨材料的力学性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种超细结构各向同性石墨材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及材料领域，特别是涉及一种超细结构各向同性石墨材料的制备方法。

技术介绍

[0002]采用等静压成型工艺制备的石墨材料因其内部石墨晶粒杂乱取向、整体材质均匀而具有各向同性的结构和性能，主要应用于电子及太阳能光伏产业、机械制造、石油化工、金属连铸、硬质合金、玻璃制造、生物医疗、航空航天、以及核能事业、军事工业等行业和领域等,用途广泛，应用领域还处于不断拓展之中，等静压石墨材料是21世纪最有价值的新材料之一。我国在等静压各向同性石墨方面也取得了长足的进步，但是等静压石墨的性能与发达国家还存在很大的差距。随着我国科技的快速发展，各向同性石墨材料的需求量日益增加，特别是高性能的各向同性石墨材料大多还依赖进口。
[0003]目前我国生产的各向同性石墨的性能指标严重跟不上，在日益制约的国际环境下，严重影响我国相关产业的快速发展。石墨材料的结构与性能在很大程度上取决于生产石墨材料的原料与工艺。合理的原料配比可以协调原料在热处理过程中的收缩，改善传统石墨制备中沥青与骨料间较大的收缩比，使各骨料和沥青协同收缩，减少裂纹与孔隙的产生，提高石墨材料的密实度与热处理成品率。超细的原料粒径可有效减少石墨材料中的最大孔径尺寸，提高石墨材料的密度与强度，同时提高石墨材料的各向同性性。
[0004]我国目前生产各向同性石墨材料使用的是各种煅后焦，其粒度在10
‑
20μm,骨料的种类单一，等静压制备的各向同性石墨材料各项性能较低，为了提高性能使用多次浸渍与焙烧，生产周期长，成本高。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种超细结构各向同性石墨材料的制备方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种超细结构各向同性石墨材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、将各种原料粉碎至D50＜5μm的粉末；所述原料包括：
[0008]生石油焦5
‑
15％；
[0009]半石油焦5
‑
10％；
[0010]中间相碳微球5
‑
10％；
[0011]石油焦50
‑
60％；
[0012]沥青焦10
‑
25％；
[0013]步骤二、将各原料混合均匀得到骨料混合物；
[0014]步骤三、制备沥青有机溶液；
[0015]步骤四、在沥青有机溶液中加入氧化石墨烯，形成均匀的浆料；
[0016]步骤五、将炭骨料混合物与浆料混合均匀，其中炭骨料混合物与沥青的质量比为65
‑
75％：25
‑
35％，得到均匀的糊料状物料；
[0017]步骤六、将均匀的糊料状物料在旋转搅拌机中加热，得到固体物料；
[0018]步骤七、固体物料粉碎后过筛，得到过筛后粉料；
[0019]步骤八、在金属模具内套上橡胶套，一次加满粉料，然后置于振动台振动，振实；
[0020]步骤九、取出橡胶模，抽真空再密封，后放入等静压机中，设置升压制度，分段改变压力，然后取出样品，得到成型的生坯；
[0021]步骤十、将成型的生坯放入装有填料的金属匣钵中，再装入填料，焙烧得到碳化样品；
[0022]步骤十一、碳化样品在高温高压沥青罐中浸渍，然后焙烧，得到焙烧后的样品；
[0023]步骤十二、将焙烧后的样品放入艾奇逊石墨化炉热处理，得到各向同性石墨材料。
[0024]进一步的改进，所述沥青有机溶液制备方法如下：
[0025]将质量分数25
‑
35％的沥青溶于有机溶液中得到沥青有机溶液；沥青的比例是沥青量与沥青和骨料和的比例，沥青与有机溶液的体积比为1
‑
3:4
‑
6；所述有机溶液为四氢呋喃、四氯化碳、三氯乙烷、甲苯、喹啉中的一种或任意组合。
[0026]进一步的改进，所述步骤四中，氧化石墨烯的加入量为沥青有机溶液质量的万分之一至万分之五。
[0027]进一步的改进，所述步骤五中，采用高频超声与强力机械搅拌的方式混合，至当浆料变为均匀的糊料状物料；所述均匀的糊料状物料，即将糊料状物料涂覆在金属板上时形成均匀膜层，膜层中无碳颗粒团聚；步骤八中，震动时间为5
‑
10min，金属模具规格为350*350*200mm。
[0028]进一步的改进，所述步骤六中，加热温度为150
‑
180℃，加热至脱除有机溶液，并使得氧化石墨烯脱除含氧功能团还原成石墨烯，得到固体物料。
[0029]进一步的改进，所述步骤七中，采用转速小于250r/min的低转速粉碎机粉碎，防止粉料因转速高而发热，导致温度过高影响粉料的挥发份含量，粉碎后的粉料过200目的筛，一次过筛率为90％，再粉碎过筛，总过筛率达到99％以上。
[0030]进一步的改进，所述步骤九中，升压制度为20
‑
25MPa，保压2
‑
3min，再以20MPa/min升压到80
‑
100Mpa，保压3
‑
5min，再以20MPa/min升压到150MPa，再保压3
‑
5min，再以50MPa/min的速度降压到100MPa，保压3min，再以70MPa/min的速度降压至0MPa。
[0031]进一步的改进，所述步骤十中，每块生坯之间的填料厚度为20
‑
30mm，将装好生坯的金属匣钵置于钟罩式焙烧炉中焙烧，焙烧的最高温度为1050
‑
1150℃，并在最高温度下保温2
‑
3小时，焙烧曲线为30
‑
300℃为3.5℃/h，300
‑
500℃为1.5℃/h，500
‑
800℃为3℃/h，800
‑
最高温度为4℃/h；最高温
‑
400为
‑
10℃/h，400
‑
30℃为自然冷却，碳化样品的合格率为90％。
[0032]进一步的改进，所述步骤十一中，浸渍温度为250
‑
300℃，压力为2
‑
5MPa，时间为3
‑
5h；浸渍后的焙烧制度为10
‑
20℃/h升温至1100℃保温2h，然后最高温
‑
400℃以
‑
40℃/h降温，降温至400℃后自然冷却，碳化样品的合格率≥98％。
[0033]进一步的改进，所述步骤十二中，艾奇逊石墨化炉的石墨化最高温度为2600
‑
3000℃，石墨化制度如下：15
‑
20℃/h的升温速度开到1000
‑
1100℃，再以30
‑
50℃/h升温至1900℃，再此温度下保温2
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超细结构各向同性石墨材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、将各种原料粉碎至D50＜5μm的粉末；所述原料包括：步骤二、将各原料混合均匀得到炭骨料混合物；步骤三、制备沥青有机溶液；步骤四、在沥青有机溶液中加入氧化石墨烯，形成均匀的浆料；步骤五、将炭骨料混合物与浆料混合均匀，其中炭骨料混合物与沥青的质量比为65
‑
75％：25
‑
35％，得到均匀的糊料状物料；步骤六、将均匀的糊料状物料在旋转搅拌机中加热，得到固体物料；步骤七、固体物料粉碎后过筛，得到过筛后粉料；步骤八、在金属模具内套上橡胶套，一次加满粉料，然后置于振动台振动，振实；步骤九、取出橡胶模，抽真空再密封，后放入等静压机中，设置升压制度，分段改变压力，然后取出样品，得到成型的生坯；步骤十、将成型的生坯放入装有填料的金属匣钵中，再装入填料，焙烧得到碳化样品；步骤十一、碳化样品在高温高压沥青罐中浸渍，然后焙烧，得到焙烧后的样品；步骤十二、将焙烧后的样品放入艾奇逊石墨化炉热处理，得到各向同性石墨材料。2.如权利要求1所述的超细结构各向同性石墨材料的制备方法，其特征在于：所述沥青有机溶液制备方法如下：将质量分数25
‑
35％的沥青溶于有机溶液中得到沥青有机溶液；沥青的比例是沥青量与沥青和骨料和的比例，沥青与有机溶液的体积比为1
‑
3:4
‑
6；所述有机溶液为四氢呋喃、四氯化碳、三氯乙烷、甲苯、喹啉中的一种或任意组合。3.如权利要求1所述的超细结构各向同性石墨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，氧化石墨烯的加入量为沥青有机溶液质量的万分之一至万分之五。4.如权利要求1所述的超细结构各向同性石墨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，采用高频超声与强力机械搅拌的方式混合，至当浆料变为均匀的糊料状物料；所述均匀的糊料状物料，即将糊料状物料涂覆在金属板上时形成均匀膜层，膜层中无碳颗粒团聚；步骤八中，震动时间为5
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10min，金属模具规格为350*350*200mm。5.如权利要求1所述的超细结构各向同性石墨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤六中，加热温度为150
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180℃，加热至脱除有机溶液，并使得氧化石墨烯脱除含氧功能团还原成石墨烯，得到固体物料。6.如权利要求1所述的超细结构各向同性石墨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤七中，采用转速小于250r/min的低转速粉碎机粉碎，防止粉料因转速高而发热，导致温度过高影响粉料的挥发份含量，粉碎后的粉料过200目的筛，一次过筛率为90％，再粉碎过筛，总
过筛率达到99％以上。7.如权利要求1所述的超细结构各向同性石墨材料的制备方法，其特...

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