一种各向同性等静压石墨材料及制备方法与流程

本发明涉及等静压石墨材料领域，尤其是涉及一种各向同性等静压石墨材料及制备方法。

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、等静压石墨的生产工序主要有原料磨粉、混捏、轧片、二次磨粉、等静压成型、多次焙烧、浸渍、石墨化等。原料通常采用易石墨化炭，如石油焦、沥青焦等，磨成粒度约1-40μm的细粉，添加中温沥青或高温沥青等粘结剂后进行混捏。通过二次磨粉后等静压成型制成生坯。生坯经焙烧、浸渍工艺，提高致密度，降低孔隙率。石墨化工序时，产品在无氧环境下，加热到2300-2500℃以上的温度，原料中的碳元素由六角碳原子平面网格从二维空间的无序排列转变为三维空间的有序排列的石墨结构。这一过程可以提高材料的导热、导电性能，提高热稳定性和化学稳定性，提高润滑性，同时排除材料中的杂质，提高纯度。

3、但是常规的等静压石墨制备工艺过程复杂，且为提升等静压石墨的致密度，需要多次浸渍、多次焙烧的循环过程，一般单次焙烧时间可能长达15-30天，多次浸渍-焙烧循环的生产周期长，生产效率低下，生产成本高。同时，为提高产品机械性能，通常配合采用粒度更小的粉料（如细焦粉、氧化石墨烯、半补强炭黑等），但使用小粒径的粉料时，会因分散不均匀而导致石墨材料容易出现局部缺陷，进而影响等静压石墨材料的一致性，限制等静压石墨材料在高端领域的应用范围。

4、其中，等静压石墨材料的一致性主要指，等静压石墨内各不同位置间的致密度、力学性能、导电性能的一致性，及等静压石墨材料内各向异性度是否低于1.1。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种各向同性等静压石墨材料及制备方法，无需采用多次浸渍、多次焙烧的循环过程，即能够制得机械性能好、一致性好、致密度均匀、各向同性好的等静压石墨材料，有效缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本，进一步拓展等静压石墨材料的应用范围。

2、为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：

3、一种各向同性等静压石墨材料的制备方法，由以下步骤组成：

4、步骤s001、将骨料、粘结剂沥青、分散剂加入溶剂中，球磨均匀，得到球磨浆料；

5、所述骨料为炭黑，或炭黑与人造石墨粉、沥青焦、石油焦、微晶石墨、针状焦、热解碳中至少一种的混合物；

6、所述粘结剂沥青，为以下以下之一：中温煤沥青、石油沥青、中间相沥青、萘沥青；

7、所述溶剂，为以下之一：四氢呋喃、二甲苯、喹啉、二氯甲烷、甲苯；

8、所述骨料、粘结剂沥青、溶剂的重量比为10:6-15:10-20；

9、步骤s002、搅拌条件下，向球磨浆料中加入溶剂，调节球磨浆料粘度为100-2000cp；然后经喷雾造粒，得到球型或近球形的喷雾造粒粉，过100目标准筛，获得通过100目筛的造粒粉体；

10、步骤s003、将造粒粉体装入至等静压成型模具中，经等静压成型，得到坯体；

11、步骤s004、坯体经1000-1200℃焙烧，得到炭制品；

12、步骤s005、炭制品经2300-2800℃石墨化处理，得到各向同性等静压石墨材料的制备方法。

13、优选的，所述步骤s001中，炭黑的平均粒径为0.1-0.5μm；

14、人造石墨粉的平均粒径为1-10μm；沥青焦的平均粒径为1-10μm；石油焦的平均粒径为1-10μm；微晶石墨的平均粒径为1-10μm；针状焦的平均粒径为1-10μm；热解碳的平均粒径为1-10μm。

15、优选的，所述步骤s001中，分散剂为之下至少之一：三乙醇胺、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯；

16、分散剂的总添加量为骨料总重量的0.5-3%。

17、优选的，所述步骤s002中，搅拌条件下，向球磨浆料中加入溶剂，调节球磨浆料粘度为200-1000cp。

18、优选的，所述步骤s002中，喷雾造粒过程中，控制进风口温度80-130℃，出风口温度50-110℃，转速6000-15000rpm。

19、优选的，所述步骤s003中，控制等静压成型压力为100-200mpa，等静压成型保压时间为10-30min。

20、优选的，所述步骤s004中，坯体在保护气氛下，升温至1000-1200℃，保温焙烧10-24h，得到炭制品。

21、优选的，所述步骤s005中，炭制品在常压、保护气氛下，升温至2300-2800℃，保温5-10h，得到各向同性等静压石墨材料。

22、一种各向同性等静压石墨材料，采用前述的制备方法制得。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

24、1）本发明的各向同性等静压石墨材料的制备方法，采用炭黑作为骨料主要原料；将含有炭黑的骨料与粘结剂沥青配合投入至溶剂环境中，在分散细颗粒骨料的同时，将粘结剂沥青溶剂为低粘度包覆料，并结合分散剂对细颗粒骨料的分散作用，在抑制细颗粒骨料团聚的同时，充分润湿细颗粒骨料，将细颗粒骨料与粘结剂沥青相复合，在采用溶剂调节球磨浆料至预定浓度后，采用喷雾造粒的方式造粒，实现粘结剂沥青对细颗粒骨料的有效包覆，制备获得预定粒径的球形或近球形造粒粉体；造粒粉体的堆积性能好，孔隙均匀、细小，流动性好，能够在提高等静压成型后生坯密度的同时，进一步提高制得的等静压石墨材料的机械性能、一致性、致密度及各向同性，无需采用传统的多次浸渍、多次焙烧的繁琐工艺过程，有效简化生产工艺，显著缩短生产周期，提高提高生产效率，降低生产成本，有利于规模化生产各向同性等静压石墨，进一步拓展等静压石墨材料的应用范围。

25、2）本发明的各向同性等静压石墨材料的制备方法，采用细颗粒炭黑为主要原料，通过控制石墨化温度保留炭黑结构，制得高各向同性、高机械性能的等静压石墨材料；制得的各向同性等静压石墨材料，体积密度≥1.93g/cm3，孔隙率≤8.5%，致密度好；抗压强度可达280mpa，抗弯强度可达140mpa，弹性模量15.5gpa，各向异性度≤1.04，一致性好；相比于采用传统多次浸渍-焙烧制得的市售等静压石墨材料，其抗压强度通常不超过210mpa，抗弯强度不超过100mpa，弹性模量不超过13gpa，且各向同性低，本发明的各向同性等静压石墨材料，在无需采用传统的多次浸渍、多次焙烧的繁琐工艺过程前提下，物理性能及各向同性出现明显提升。

26、3）本发明的各向同性等静压石墨材料的制备方法，工艺流程简洁，易于操控，适用于规模化工业生产。

技术特征：

1.一种各向同性等静压石墨材料的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：

2.根据权利要求1所述的各向同性等静压石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s001中，炭黑的平均粒径为0.1-0.5μm；

3.根据权利要求1所述的各向同性等静压石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s001中，分散剂为之下至少之一：三乙醇胺、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯；

4.根据权利要求1所述的各向同性等静压石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s002中，搅拌条件下，向球磨浆料中加入溶剂，调节球磨浆料粘度为200-1000cp。

5.根据权利要求1所述的各向同性等静压石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s002中，喷雾造粒过程中，控制进风口温度80-130℃，出风口温度50-110℃，转速6000-15000rpm。

6.根据权利要求1所述的各向同性等静压石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s003中，控制等静压成型压力为100-200mpa，等静压成型保压时间为10-30min。

7.根据权利要求1所述的各向同性等静压石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s004中，坯体在保护气氛下，升温至1000-1200℃，保温焙烧10-24h，得到炭制品。

8.根据权利要求1所述的各向同性等静压石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s005中，炭制品在常压、保护气氛下，升温至2300-2800℃，保温5-10h，得到各向同性等静压石墨材料。

9.一种各向同性等静压石墨材料，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制得。

技术总结本发明提供一种各向同性等静压石墨材料及制备方法，涉及等静压石墨材料领域。所述各向同性等静压石墨材料的制备方法，由以下步骤组成：将骨料、粘结剂沥青、分散剂加入溶剂中，球磨均匀，得到球磨浆料；所述骨料为炭黑，或炭黑与人造石墨粉、沥青焦、石油焦、微晶石墨、针状焦、热解碳中至少一种的混合物；所述粘结剂沥青，为以下之一：中温煤沥青、石油沥青、中间相沥青、萘沥青。本发明的各向同性等静压石墨材料的制备方法，无需采用多次浸渍、多次焙烧的循环过程，即能够制得机械性能好、一致性好、致密度均匀、各向同性好的等静压石墨材料，有效缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本，进一步拓展等静压石墨材料的应用范围。技术研发人员：李华青受保护的技术使用者：山东红点新材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29