一种高性能等静压石墨及其制备方法与流程

本发明涉及等静压石墨材料领域，尤其是涉及一种高性能等静压石墨及其制备方法。

背景技术：

1、等静压石墨是上世纪50年代发展起来的一种新型炭/石墨材料，具有一系列优异的性能。与普通石墨材料相比，等静压技术使原料在所有方向上均匀受力成型，使得产品均匀性好，且结构精细致密；各向同性，在各个方向上性能一致性好，从而广泛应用于航空航天，新能源，半导体，核工业等国民经济重要部门。

2、随着半导体、航空航天等高精尖行业的发展，应用场合的进一步扩展，人们对等静压石墨提出了更高的性能要求。例如高密度、高强度石墨用于航天器喷管及控制舵等部位；高密度、高各向同性度石墨用于半导体工业；高导电率石墨用于电火花加工等。因此，提高等静压石墨各项性能指标，满足各行业不同需求是当前行业发展主要任务。

3、通常等静压石墨采用石油焦、沥青焦等骨料，中温或高温沥青作为粘结剂，经过混合、破碎、等静压成型、多次焙烧浸渍、石墨化等工艺，最终完成石墨产品的制备。受原料来源及骨料微观形貌影响，产品一致性、纯度、各向同性、机械性能等指标难以保证；且多次焙烧浸渍过程繁琐，操作复杂，生产效率低。

4、同时，人造石墨、碳纤维材料在生产、加工过程中，大量产生铣削粉、边角料、碎块等废料，以及性能尺寸的不合格品，这些废料的再利用率通常低于50%，浪费大量原材料，生产成本居高不下。前述的废料同样经过了提纯、焙烧、石墨化等工艺处理过程，具有较高的纯度和石墨化程度，可以作为等静压石墨的高品质原料。

5、但是，发明人经试验研究发现，直接利用人造石墨废料微粉、碳纤维废料微粉等制造等静压石墨，或向石油焦、沥青焦等常用原料中添加作为增强相的碳纤维废料制备等静压石墨时，往往因前述废料具有过高的各向异性，导致等静压石墨产品的各向异性。进一步的，发明人还发现，人造石墨粉、碳纤维粉石墨化程度高，表面能低，各原料间的结合性能差，制得的等静压石墨产品还存在有密度低，孔隙率高，机械性能差的问题，无法实现对上述废料的有效回用。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种高性能等静压石墨及其制备方法，能够有效回用人造石墨、碳纤维材料在生产、加工过程中产生的废料，降低等静压石墨的制造成本；同时，有效避免因人造石墨粉、碳纤维粉的石墨化程度高，表面能低，各原料间结合性能差，导致等静压石墨产品密度低，孔隙率高，机械性能差的问题，有效消除所回用废料的各向异性对等静压石墨的不利影响。

2、为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：

3、一种高性能等静压石墨的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤s001、将人造石墨微粉完全浸渍至第一氧化剂中，加热至60-90℃，保温处理后，干燥，得到改性石墨微粉s1；

5、所述第一氧化剂为以下之一：浓硝酸、浓硫酸、高锰酸钾溶液、次氯酸；

6、步骤s002、将改性石墨微粉s1加入至溶解有高温沥青的四氢呋喃中，搅拌均匀后，在不低于70℃温度条件下，保温搅拌至四氢呋喃完全挥发；冷却后破碎至粒径小于2mm，挤压成型为坯体；将坯体置入热处理炉中，加热至800-1100℃保温、炭化后；破碎，过筛，得到改性复合微粉s2；

7、步骤s003、将碳纤维粉完全浸渍至第二氧化剂中，加热至60-90℃保温处理后，干燥，得到改性碳纤维粉c1；

8、所述第二氧化剂为以下之一：浓硝酸、浓硫酸、高锰酸钾溶液、次氯酸；

9、步骤s004、将改性复合微粉s2和改性碳纤维粉c1混合均匀，制得骨料；

10、步骤s005、将骨料与粘结剂沥青粉混合后，在捏合设备内捏合，获得糊料；

11、步骤s006、糊料经轧片、破碎，获得复合粉末s3；

12、步骤s007、复合粉末s3经温等静压成型，获得成型体；

13、步骤s008、成型体经焙烧、石墨化，制得高性能等静压石墨。

14、优选的，所述步骤s001中，人造石墨微粉的粒径为5-20μm，灰分≤15ppm；

15、所述步骤s003中，碳纤维粉的单丝直径为1-10μm，长径比≤4：1，含碳量≥95%。

16、优选的，所述步骤s001中，保温时间为3-6h；

17、所述步骤s003中，保温时间为3-6h。

18、优选的，所述步骤s002中，高温沥青的软化点为200-280℃；

19、改性石墨微粉s1、高温沥青、四氢呋喃的质量比为10:2-4:20-40。

20、优选的，所述步骤s002中，保温时间为4-8h，过筛目数为100-200目。

21、优选的，所述步骤s004中，改性复合微粉s2和改性碳纤维粉c1的重量比为10:8-12；

22、所述步骤s006中，复合粉末s3的粒径为40-160μm。

23、更优选的，所述复合粉末s3的粒径为50-100μm。

24、优选的，所述步骤s005中，粘结剂沥青添加量为骨料总重量的25%-60%；

25、粘结剂沥青的软化点130-180℃，粒径≤100μm。

26、优选的，所述步骤s007中，温等静压成型温度为25-60℃，成型压力为100-200mpa，成型时间为15-30min。

27、优选的，所述步骤s008中，焙烧是在保护气氛下加热至1000-1200℃，保温200-400h；

28、所述步骤s008中，石墨化是在常压、保护气氛下，加热至2500-3200℃，保温10-20h。

29、一种高性能等静压石墨，采用前述的制备方法制得。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、1）本发明的高性能等静压石墨的制备方法，针对于人造石墨废料微粉和碳纤维废料微粉的自有特性，及其石墨化程度高，表面能低，结合性能差、各向异性的特点，对人造石墨微粉进行表面改性处理后，使人造石墨微粉表面富羟基化，然后采用高温沥青对改性石墨微粉s1进行包覆、炭化形成类似于“二次焦”改性复合微粉s2；同时，对碳纤维粉进行表面改性处理后，使碳纤维粉表面富羟基化，制得改性碳纤维粉c1；然后将改性复合微粉s2和改性碳纤维粉c1复合后，制得复合粉末s3；以复合粉末s3制备获得高性能等静压石墨；有效提高各原料（特别是人造石墨废料微粉、碳纤维废料微粉）间的结合性能，并有效消除所回用废料的各向异性对等静压石墨的不利影响，能够有效回用人造石墨、碳纤维材料在生产、加工过程中产生的废料，降低等静压石墨的制造成本；同时，有效避免因人造石墨粉、碳纤维粉的石墨化程度高，表面能低，各原料间结合性能差，影响产品性能的问题；制得的高性能等静压石墨纯度高，机械性能好，孔隙率低，综合性能优异。

32、2）本发明的高性能等静压石墨的制备方法，从原料来源来看，能够在提高产品性能及纯度的同时，充分利用人造石墨、碳纤维、等静压石墨在生产、加工过程中产生的废料，有效降低高性能等静压石墨的制造成本。

33、3）本发明的高性能等静压石墨的制备方法，无需采用传统等静压石墨制备中的多次浸渍焙烧工艺，即能够制得密度好，孔隙率低、纯度高、机械性能好的等静压石墨产品，有效简化工艺流程，制备过程易于控制，有效提高生产效率，缩短生产周期。

34、4）本发明的高性能等静压石墨，密度可达1.80-1.98g/cm3；纯度高，灰分低于110ppm；机械性能好，抗弯强度80-140mpa；电阻率低，可达8-15μω·m，导热性能好，导热系数130-166w·m-1·k-1，各向异性度为不大于1.08，高性能等静压石墨为各向同性，具有优异的综合性能。

35、5）本发明的高性能等静压石墨的制备方法，工艺流程简洁，易于操控，适用于规模化生产，有效回用人造石墨、碳纤维材料在生产、加工过程中产生的废料。