高度定向的石墨产品制造技术

本发明专利技术提供一种具有增强的方向导热性的石墨物件。中间相沥青（12）的中间相部分（14）相互对准以生成经定向的中间相沥青，其可被稳定化。根据需要，该物件可经受进一步的碳化和石墨化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及高强度石墨的生产，该石墨具有传导性、特别是导热性增强的方向。在一个实施例中，采用中间相粉末形成石墨，该中间相粉末被稳定化且被对准，并且可被石墨化以提供具有导热性和导电性增强的方向的石墨。还公开了用于生产这种石墨的方法。
技术介绍
石墨物件对于多种应用具有巨大的潜力，一些最重要的应用包括用在电子热管理、锂离子电池、电化学燃料电池以及需要诸如石墨的不反应材料的其它应用。但是，常规方式生产的石墨对于许多应用尤其是电子热管理而言没有足够的导热性。通常，可通过将碳材料和粘结混合料(尤其是浙青粘结剂)组合成原料混合物来制造石墨物件。可被混入小颗粒尺寸填料的其它添加剂包括用于抑制气胀(puffing)(由硫 从其与焦碳颗粒内的碳的结合释放而导致)的氧化铁、焦炭粉末以及用于促进混合物挤出的油或其它润滑剂。原料混合物被加热到浙青的软化温度，并且被压成形而生成“生”料坯，利用连续操作的挤出机或通过模具挤出或通过在成型模具中模制以形成“生坯”。生料坯被在炉中加热以使浙青碳化从而赋予该坯体永久形状和较高的机械强度。取决于石墨坯的尺寸和具体的制造工艺，该“烘烤”步骤要求生坯在大约700°C和1100°C之间的温度被热处理。为避免氧化，生料坯被在相对缺乏空气的情况下烘烤。通常，坯体的温度被以恒定的速率上升到最终烘烤温度。在一些实施例中，根据坯体的尺寸，该生料坯被保持在最终烘烤温度达I星期和2星期之间。在冷却和清洁之后，可用煤焦油或石油浙青或工业中已知的其它类型浙青浸溃烘烤体一次或多次，以在坯体的任何开放孔内沉积额外的浙青焦炭。每次浸溃之后则接着另外的烘烤步骤，包括冷却和清洁。每次重烘烤步骤的时间和温度可根据具体制造商的工艺而变化。可在浙青内混入添加剂以提高石墨坯的特定性质。每个这种致密化步骤(即，每次另外的浸溃和重烘烤循环)一般地增加了原材料的密度并提供更高的机械强度。典型地，形成每个坯体包括至少一个致密化步骤。许多这种物件在实现期望密度之前需要几个独立的致密化步骤。致密化之后，坯体(在该阶段指碳化体)则被石墨化。通过在大约150(TC到大约3400°C之间的最终温度热处理足够长时间以使煅烧过的焦炭和浙青焦炭粘结剂内的碳原子从无序状态转化成石墨结晶结构来进行石墨化。在这些高温下，碳以外的元素被挥发并作为蒸气逸出。在完成石墨化之后，坯体可被切到尺寸然后被机加工或以其它方式形成其最终构造。由于其本性所致，石墨允许机加工到高的容差度。如指出的，粘结混合料有利地是浙青。天然和合成浙青是有机化合物的复杂混合物，除了源自某些石油(如宾西法尼亚原油)的某些稀有的石蜡基浙青以外，天然和合成浙青实质上由稠环芳烃构成，因而据称具有芳香基。由于构成这些有机化合物的分子相对地较小(平均分子量不超过数百)并且彼此之间仅微弱地相互作用，这种浙青本质上是各向同性的。然而，在静态下以大约350°C -450°C之间的温度(或者以恒定的温度或者用逐渐增高的温度)加热这些浙青时，浙青中开始出现小液球，其随着加热的继续而逐渐增加尺寸。当用电子衍射和偏振光技术检查时，这些球显示为由在相同方向上对准的定向分子的层组成。当这些球随着继续加热而逐渐增加尺寸时，它们开始互相接触，并逐渐相互聚结而产生更大质量的对准的层。随着聚结继续，形成了远大于最初球畴(domain)的对准分子的畴。这些畴来到一起以形成体中间相，其中从一个定向畴到另一个的过渡有时通过逐渐弯曲的片层平滑且持续地发生，有时通过更急剧弯曲的片层发生。 畴之间取向的差异对应于分子排列的各种类型线性不连续性而在体中间相内生成偏振消光轮廓的复杂阵列。所生成的定向畴的最终尺寸取决于中间相(所述定向畴由该中间相形成)的粘度和粘度的增加率，其进而取决于具体的浙青和加热速度。在某些浙青中，产生了尺寸超过两百微米直到几百微米的畴。在其它浙青中，中间相的粘度使得只出现层的有限聚结和结构重排，从而最终的畴尺寸不超过一百微米。 通过以该方式处理浙青而生成的高度定向、光学各向异性的材料被给予术语“中间相”，并且包含这种材料的浙青已知为“中间相浙青”。这种浙青当被加热到其软化点以上时是两种不融合液体的混合物，一种是光学各向异性、定向的中间相部分，另一种是各向同性非中间相部分。术语“中间相”源自希腊语“mesos”或“中间”，指的是这种高度定向光学各向异性材料的伪晶体本质。当浙青被逐渐加热时在浙青中开始出现的高度定向中间相球体不仅是光学各向异性的，而且是反磁性各向异性的，即，它们在正交于定向分子层的方向上具有大的反磁化率，而在平行于这些层的方向上具有小的磁化率。结果，当包含这种球体的浙青受到磁场作用时，球体倾向于自己对准，其层平面平行于磁场的方向。但是，虽然这种定向效应导致球体的层平面在平行于磁场方向的方向上对准，但球体的极轴或c轴保持在垂直于磁场方向的平面内自由旋转，从而球体的极轴不平行对准。根据Singer美国专利No. 3，991，170 (其细节通过引用合并于此)，已示出可通过使中间相浙青在其熔融状态下经受绕垂直于磁场方向的轴线相对于周围磁场的旋转运动来生成如下的中间相浙青，其中这种浙青的中间相部分的层平面大致在单个平行方向上对准，而所述平面的c轴大致在单个平行方向上对准。该磁场使浙青的中间相部分受到反磁力，该反磁力倾向于使所述中间相部分的层平面在平行于磁场方向的方向上对准，并且当浙青同时绕垂直于磁场的轴线相对于磁场旋转时，该反磁力还起作用以使所述层平面的c轴平行于旋转轴线对准。可通过在磁场中持续地旋转浙青或者通过绕浙青旋转磁场来获得这种唯一的取向。Singer专利还教导当浙青的中间相部分的平面在单一平行方向上基本对准并且所述平面的c轴在单一平行方向上基本对准时可生成固体浙青物件，由此生成一种浙青物件，其具有优于并超越单独通过热处理获得的增强的导热性和导电性的优选平面。Singer 方法的进一步发展已经在 Singer 于 Pennsylvania State University 的19th Biennial Conference on Carbon, 1989 年 6 月 25-30 发表的 “Anisotropy of theThermal Expansion of a Highly-Oriented Mesophase Pitch”中说明，其细节通过引用结合于此。因此，所需要的是一种用中间相浙青形成的、具有改进的导热性的石墨。
技术实现思路
本文公开了从中间相浙青前体制造高度定向石墨产品的方法。本文公开的一个方法包括以下步骤(a)将碾碎的中间相浙青颗粒模制成期望形状的物件；(b)使所述物件定向；以及(C)使所述物件稳定化。可实践的另一方法包括(a)将碾碎的中间相浙青颗粒模制成期望形状的物件；(b)部分稳定化所述物件；(C)使所述物件定向；以及( d)使经定向的物件稳定化。本文公开的进一步的方法包括(a)部分稳定化中间相浙青模制粉末；(b)将所述粉末模制成物件；(c)使所述物件定向；以及(d)使经定向的物件稳定化。本文公开的任意其他的方法包括(a)将中间相浙青铸成模板，该模板由牺牲材料构造成与期望石墨物件的负像近似的形状，从而形成工件；(b)使该工件定向；(c)使该工件稳定化；(d)至少使该工件的经稳定化且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：PG斯坦斯贝里，RL邵，DJ米勒，
申请(专利权)人：格拉弗技术国际控股有限公司，
类型：发明
国别省市：