[发明专利]一种石墨陶瓷复合管成型方法

说明书

本发明公开了一种石墨陶瓷复合管成型方法，主要包括以下几个工艺环节：将天然鳞片石墨粉末、热固性酚醛树脂粉末、硅粉和二氧化硅粉末按照一定比例机械混合均匀；将混合粉末分批次地添加到预热、带有环形空腔的金属模具中，每填料一次，预压一次，重复多次，获得石墨陶瓷复合管坯体；在真空气氛保护下对石墨陶瓷复合管坯体高温处理，获得石墨陶瓷复合管预制体；最后真空压力浸渍硅溶胶，待干燥后即获得高强度石墨陶瓷复合管。所制备的石墨陶瓷复合管具有良好的抗压强度和较低的电阻率，在聚晶金刚石复合片生产中可作为加热元件替代传统的石墨管或金属管，有助于反应腔建立合理稳定的温度场，从而改善产品质量，降低生产成本。

技术领域

本发明提供了一种石墨陶瓷复合管成型方法，属于无机非材料成形及工程应用技术领域。

背景技术

聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC）是在超高压高温条件下（一般1300℃~1600℃，5~6Gpa）将金刚石微粉复合在硬质合金基底上的一种新型功能材料，因其既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，已成为制造高性能切削刀具、钻井钻头及其它耐磨工具的理想材料。

聚晶金刚石复合片通常是在六面顶压机的超高压高温反应腔中合成的，超高压高温反应腔中同时存在着压力场和温度场，其中，温度场的稳定性和合理性直接影响着聚晶金刚石复合片的显微组织结构、性能与质量，因此，对反应腔内温度场的调控尤为重要。若合成温度过高，会导致己烧结的金刚石石墨化，金刚石层中将残留过多的石墨，使得PDC性能大幅下降；若合成温度过低时，不能产生足够的液相，烧结过程无法持续，只能在界面产生烧结，其它部分仍保持原有形态，烧结后呈现松散的结构。总之，合成高品质PDC产品的关键是建立合理而稳定的反应腔温度场。PDC反应腔的温度场是由上下顶锤给加热元件施加大电流，通过电阻发热而产生的，目前常见加热元件一般为石墨管或金属管，加热元件自身电阻率及其稳定性直接影响反应腔内部的温度场。此外，PDC反应腔组合方式（图1为一种常见的PDC反应腔组装示意图）也会对温度场和PDC耐磨性、硬度性能产生明显的影响。

石墨管一般由人工合成石墨圆棒料切削加工而成，选择石墨管作为反应腔加热元件时，有几个方面问题：首先，由于本身抗压强度较低，在上下顶锤压力作用下，石墨管极易破裂，导致电阻值产生变化，从而影响实际发热效果以及PDC反应腔温度场的稳定性，严重的出现冒气现象，导致事故发生；其次，受现有人工合成石墨生产工艺水平的制约，石墨管内部组织成分以及孔隙分布的随机性也会影响电阻率的稳定性，需要对高温合成PDC工艺参数做出动态调整，这增加了PDC高温合成操作难度；石墨管作为一种薄壁结构件（其壁厚一般小于2mm），除了材料利用率低、成品率较低、成本偏高之外，机械切削加工难度大，需控制粉尘污染；因石墨管属于易损件，也给运输、反应腔组装带来了一定的困难。

选择金属管作为PDC反应腔加热元件时，由于金属管不易破损，生产组装以及运输比较方便；然而，金属管电阻率非常小，仅为石墨管的百分之一，根据热量计算公式Q_热=0.24I²r_内，为了产生相等的热量，获得相同的加热效果，需要将六面顶压机的电流值调高十倍以上，而由此带来不利影响是：增加了能源消耗，此外，在大电流冲击下，上下电极压头易烧损，增加了生产维修成本。总之，为了保证PDC反应腔的温度场的合理性及稳定性，低成本地合成高品质PDC产品，亟需发明一种具有较高的抗压强度和适宜的电阻率石墨陶瓷复合管成型方法。

发明内容

本发明提出了一种石墨陶瓷复合管成型方法，石墨陶瓷复合管可以作为PDC生产中的加热元件，替代传统的石墨管或金属管。发明思想如下：分批填料，在多次挤压力作用下，天然鳞片石墨粉末有序地叠加在一起，石墨层间接触更加充分紧密，提高了抗压能力的同时保证了导电性；经高温处理后，酚醛树脂热解生成玻璃碳，并分别与二氧化硅和硅原位反应生成碳化硅纤维和碳化硅颗粒，从而提高了石墨陶瓷复合管耐高温能力；将纳米二氧化硅浸渍到石墨陶瓷复合管预制体中，提高了致密性及抗压能力。