[发明专利]一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料及其制备方法。所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料主要由天然鳞片石墨、碳化硅、玻璃碳和孔隙构成。称取天然鳞片石墨粉末、酚醛树脂粉末、硅粉和可膨胀石墨粉末，采取机械搅拌方式混合均匀，获得石墨基3D打印混合粉末；利用选择性激光烧结成型工艺快速制备石墨原型件，二次固化处理；真空压力浸渍液态酚醛树脂、烘干固化；碳化处理；真空压力浸渍硅溶胶溶液、烘干；高温烧结，获得石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料。所制备的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料导热系数≤2.0W/m·k、较高的抗压强度≥10MPa、能够承受高温金属液冲击≥1600℃、可重复不少于50次使用。

技术领域

本发明涉及一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料及其制备方法，属于复合材料成形制造技术领域。

技术背景

在采用石墨型大规模、连续生产复杂铸钢件过程中，考虑到铸件各部分壁厚的不均匀性以及高密度高强度人造石墨型高导热特性（其导热系数为60~150W/m·k），一般要采取石墨型挂砂衬铸造工艺。石墨型挂砂衬铸造基本工艺过程如下：首先将高密度高强度人造石墨坯体机械切削加工成铸型型腔，然后在其上“构筑”水玻璃砂衬，获得石墨水玻璃型砂复合型，最后将高温金属液浇注复合型型腔中，待冷却凝固后，获得铸件。采取上述工艺虽然增加了工艺操作难度和生产成本，但因水玻璃砂型导热系数低（小于2.0W/m·k），保温效果佳，与高导热石墨型配合，可以调控浇铸温度场，调整铸件各部分冷却速度，实现顺序凝固，保证高温金属液补缩通道畅通，防止浇不足、冷隔、缩松、缩孔等缺陷产生，保证铸件质量。

石墨挂砂衬工艺存在以下不足：（1）该工艺对水玻璃砂品质要求较高，面临资源性市场短缺的问题；（2）水玻璃砂再生利用技术开发难度大，回收利用率低；（3）水玻璃砂为固废垃圾，废砂处理环保成本高；（4）水玻璃砂耐高温性能差，容易造成铸件表面粘砂缺陷；（5）水玻璃砂衬成型工艺复杂，混砂、射制、硬化、喷涂和模龄等工艺过程控制要求较高；（6）水玻璃砂衬抗压强度低（仅2-3MPa），仅为一次性使用，生产成本相对较高。

总之，亟需开发一种低导热、高强度、耐高温和可多次重复使用的复合隔热材料，替代水玻璃砂衬，降低生产成本，减轻环保压力。

发明内容

本发明提供一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料制备方法。所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料由天然鳞片石墨粉末、碳化硅晶须、玻璃碳和孔隙构成，其中，天然鳞片石墨质量分数不低于50wt%，碳化硅质量分数控制在5~25%之间、余为玻璃碳，复合隔热材料的孔隙率不低于50%，其中闭孔隙率不低于25%。

所述的制备方法主要由以下工艺环节组成：（1）按照一定的质量比称取天然鳞片石墨粉末、酚醛树脂粉末、硅粉和可膨胀石墨粉末，采取机械搅拌方式混合均匀，获得石墨基3D打印混合粉末；（2）利用选择性激光烧结成型工艺快速制备石墨原型件，并对其进行二次固化处理；（3）真空压力浸渍液态酚醛树脂、烘干固化；（4）碳化处理；（5）真空压力浸渍硅溶胶溶液、烘干；（6）高温烧结，获得石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料。

本发明是这样实现上述目的的：

所述的石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料具有较低的导热系数、较高的抗压强度、能够承受高温金属液冲击、可多次重复使用，上述性能主要受到其内部各物相组成及其相互结合状态的影响。通过改变石墨基3D 打印混合粉末组成以及真空压力浸渍、碳化和高温烧结等后处理工艺可以调整石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料内部各组成物的数量、形态及其相互结合状态，进而调控复合材料性能。