[发明专利]一种石墨材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种利用等静压成型技术来制备石墨材料的方法。

背景技术

与一般石墨材料相比，细颗粒石墨材料因具有高机械强度、低气 孔率和优异的表面精细加工等特性，因而被广泛应用在诸多苛刻的工 作环境中。细颗粒石墨材料通常的制备工艺是采用煅烧焦作为骨料 炭、煤沥青作为粘结剂，经机械混合后成型、炭化和石墨化热处理制 得。在成型过程中时，无论采用模压或挤压成型方式，都会使焦炭颗 粒产生一定程度的取向排列，从而使最终石墨制品呈各向异性；此外， 由于受摩擦力的作用，成型过程中压力的传递逐渐降低，导致成型坯 体体积密度不均匀的缺陷。随着科学技术和工业生产的发展，在诸多 特殊应用领域，如生长单晶硅的坩埚、电火花加工、连续铸造结晶器、 高温耐腐蚀容器和核反应堆等，除了要求所用石墨材料的颗粒度细微 化之外，对其性能的各向同性度也提出了严格的要求。

各向同性细颗粒石墨材料由于制备工艺复杂、技术难度大，目前 主要依赖进口。国外主要利用二次焦工艺并结合等静压成型技术来进 行各向同性细颗粒石墨材料的制备。这种方法是先将填料炭破碎成 20μm左右的细粉，然后与一定比例的粘结剂沥青进行混捏，轧片后 进行炭化处理，即形成以超细粉固体原料为结构单位且微粒镶嵌结构 的各向同性焦炭；该焦炭颗粒磨成20-100μm后，与粘结剂进行二次 混捏后制成压粉，然后利用等静压进行成型，经焙烧、浸渍和石墨化 处理后获得各向同性细颗粒石墨。近年来，人们也采用中间相小球体 或中间相碳微球(MCMB)作为原料来制备高密高强各向同性细颗粒石 墨材料，其工艺步骤是首先将沥青经350-500℃加热处理生成在光学 上呈各向同性的中间相小球体，然后通过溶剂抽提将其分离出来，最 后经压型、烧结来制得。但中间相小球体从沥青中抽提工艺复杂，不 仅生产成本高(日本特开平，3-60415)，而且焙烧成品率较低，尤 其是对于大规格的制品，烧结十分困难，短时间内大量生产很难实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产成本低，而且成品率高的各向同性 细颗粒石墨材料的制备方法。

本发明的制备过程包括如下步骤：

(1)首先将煅烧焦破碎到20μm以下后，与软化点为90-120℃， 残碳率为48-55wt％粘结剂煤沥青按煅烧焦的含量为50-70wt％，粘结 剂的含量为30-50wt％，于100-150℃温度下混捏1-3h，然后在 120-150℃温度下轧片，轧片的厚度在1mm以下；

(2)将上述制成的轧片破碎到2mm以下的颗粒后进行挤压成型， 其中挤压温度为130-180℃，挤压压力为50-100kg/cm²，得到坯体；

(3)将挤压成型后的坯体在600-900℃下热处理2-4h，冷却后破 碎至50-150μm以下，制成二次焦骨料炭，然后将65-75wt％的二次 焦骨料炭与25-35wt％的软化点为90-120℃，残碳率为48-55wt％粘 结剂煤沥青，于100-150℃温度下混捏1-3h，并在120-150℃温度下 轧片，轧片的厚度在1mm以下，冷却后破碎至100μm以下后制成压 粉；

(4)压粉先在6-12MPa下预模压型，然后在180-300MPa下等静压 成型，成型坯体以3-6℃/h的升温速率至800-900℃，得到炭制品；

(5)然后对炭制品进行浸渍处理，其中浸渍剂为中温煤沥青，浸 渍温度为250-300℃，浸渍压力为1-2.5MPa，浸渍时间3-5h；

(6)浸渍完毕后以5-10℃/h的升温速率至1200-1350℃，最后进 行石墨化处理，石墨化温度为2400-2600℃，并在最高温度下恒温 1-2h，自然冷却到100℃以下后出炉，完成材料的制备。

利用上述二次焦作为骨料炭制备细颗粒石墨材料，有利于缓解骨 料炭和粘结剂之间的体积收缩差异，提高骨料与粘结剂间的界面结合 强度；而且由于采用高压条件来焦化，可促使粘结剂组份渗入骨料内 孔，使该焦具有较高的体积密度和强度，对改善材料的最终机械性能 有很大的作用。另外，由于骨料焦表面包覆的生焦有效地增加了骨料 焦与粘结剂在热处理过程中的收缩同步性，使该类材料的在焙烧过程 中不仅成品率高，且适用于大规格尺寸制品的生产。

本发明所说的煅烧焦其煅烧温度都在1200-1300℃，否则将造成 材料组织中的孔径变大，这将降低制品的机械强度和体积密度。