[发明专利]碳化硅陶瓷管烧结用石墨槽、高性能碳化硅陶瓷管及其制备方法

说明书

本发明涉及碳化硅陶瓷管烧结用石墨槽、高性能碳化硅陶瓷管及其制备方法，所述石墨槽为具有圆弧顶角的V型石墨槽，其中：所述圆弧顶角的圆弧部分的直径=所需碳化硅陶瓷管的外径+（0.1～0.3）mm，V型石墨槽的角度α=2×arcsin（m/M）‑x，其中0≤x≤2，其中m为将碳化硅陶瓷管素坯放在平面石墨板上进行脱脂和烧结后所得碳化硅陶瓷管的外径圆度能保持在±0.1mm时对应的碳化硅陶瓷管素坯的最大单位长度质量；M为待脱脂和烧结的碳化硅陶瓷管素坯的单位长度质量，m＜M≤8.0g/cm。该石墨槽可使得碳化硅陶瓷管在烧结收缩过程结束时是最大程度贴合该圆弧顶角之中，实现了陶瓷管材的直线度、圆度和强度的提升。

技术领域

本发明涉及碳化硅陶瓷管烧结用石墨槽、高性能碳化硅陶瓷管及其制备方法，属于工程陶瓷材料技术领域。

背景技术

随着国民经济的发展，社会对工业重点用能设备的能效和节能管理提出了更高的要求。换热器作为工业中普遍使用的热能转换装置，其能效水平的高低直接影响着工业行业节能。因此，热传导性、运行可靠稳定性及换热部件表面洁净度成为衡量换热器热交换部件材质优劣的重要指标。

目前，工业用换热器以列管式换热器应用最为广泛，热交换管是换热器的关键部件。碳化硅陶瓷具有高熔点、高硬度、化学稳定性好、耐磨、强度高、高热导等优点，且是唯一可以耐氢氟酸腐蚀的陶瓷材料。常压固相烧结碳化硅陶瓷的导热系数与等静压石墨相近，达120W/m·K以上，约为金属钽的2倍，不锈钢的5倍，哈氏合金的10倍，聚四氟乙烯的50倍。因此，常压固相烧结碳化硅陶瓷已经被广泛认为是未来换热器热交换部件的理想材料。

列管式换热器中的管材为薄壁长通管，具有较大的长径比和径厚比。在换热器组装的过程中，需要直线度和圆整度较高、且力学性能高的管材，以防止在组装过程中出现管材破损、产生组装应力、端头不好密封等情况，从而影响组装后列管式换热器的整体耐压性能。由于碳化硅陶瓷硬度高，在碳化硅陶瓷管材烧结后再对其直线度和圆整度进行加工，成本高、效率低，因此，从原料处理、混料阶段对各组分均匀性的控制，以及在碳化硅陶瓷管材的成型、烧结阶段对其直线度和圆整度的控制成为亟需解决的问题。

目前，挤出成型是碳化硅陶瓷热交换管成型的主流方式。中国专利1(公开号CN101581552A)采用固相或液相烧结助剂，经均匀混合的亚微米级碳化硅粉体为原料粉体，以纤维素为有机塑化剂，以甘油、油酸或桐油为润滑剂，以聚甲基丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸钠或四甲基氢氧化胺为分散剂，以聚醚类或聚醚多元醇类为消泡剂等，通过真空练泥、陈腐和挤出成型获得管材坯体，坯体经过干燥4-5天，及之后的热处理和高温烧结获得直度小于2.5mm/m，密度达95％T.D.左右的常压烧结碳化硅陶瓷管。其制备过程有机添加剂种类多，含量高，干燥时间长，因此存在制备工艺时间长，管材直线度差，管材整体密度偏低等问题。且添加氧化物等液相烧结助剂时，会降低管材耐腐蚀性。

中国专利2(公开号CN104557047A)使用95-99wt％的亚微米碳化硅以及1-5wt％的碳化硼组成基础料，将亚微米碳化硅、碳化硼、四甲基氢氧化铵、水溶性树脂、高聚合物糖、润滑剂和去离子水加入球磨机搅拌球磨，之后进行练泥，将泥料密封后再室温下陈腐3-10天，将陈腐的泥料放入挤出机内进行挤出成型，挤出后的管材素坯放在专门的阴干定型工具上，阴干1-3天，之后通过微波烘干后，进行脱脂和烧结。其泥料陈腐时间和阴干时间长，生产周期长，同时其脱脂和烧结使用的方形石墨坩埚未考虑素坯管材在烧结过程的收缩，及素坯管材是的紧密排列不一定能保持到烧结结束，故按照其专利中所说装置并不能保证较好的管材的直线度和圆整度。

而且，现有的碳化硅陶瓷管烧结用石墨槽一般是方形、V型、U型、半圆形等。在使用方形、V型的石墨槽时，素坯与上述石墨槽之间的始终为线接触。虽然在使用U型、半圆形等石墨槽时，能够满足素坯和石墨槽之间的完美贴合，但是在碳化硅陶瓷管素坯的后续烧结过程中，素坯开始发生收缩，到烧结完成后，管材与石墨槽之间都是由面接触变为线接触。因此，现有的石墨槽也难以保证管材烧结后的直线度和圆整度。

发明内容