CN101654239B - 一种各向同性石墨制品及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种各向同性石墨制品及其制备方法，其原料包括粘结剂与骨料，粘结剂与骨料的质量比为(0.30-0.70)∶1，其中，经过纯化的天然微晶石墨占骨料质量的30-100％，其余料为石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球中的一种或两种以上；其制备方法是通过将粘结剂与骨料混合均匀，再经过成型，然后进行焙烧，再经过浸渍和二次焙烧，最后进行石墨化处理的步骤来完成；具有所用资源丰富、成本低、制备的成型方法限制小、制品的各向同性性能高的特点，可在石墨制备技术领域大力推广。

Description

一种各向同性石墨制品及其制备方法

技术领域

本发明涉及石墨制备技术领域，具体涉及一种各向同性石墨制品及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，炭石墨材料的应用越来越广泛，地位越来越重要。在高温、辐射等严酷工况条件下，石墨更成为首选材料。在一些高科技领域，对所使用的石墨制品提出了越来越高的各向同性要求，例如发展迅速的精密加工新技术电火花加工技术中使用越来越多的石墨模具；需求量越来越大的用于电子和新能源材料的硅晶体及其它半导体材料，其制备设备的热体和大部分构件都是石墨制品；而新一代核能技术高温气冷堆的整个反应堆体就是用石墨砌成等。在这些领域，石墨制品的工作环境都会经历温度的大幅起伏，因此如果石墨制品各个方向的性能差异过大，会造成设备构件的变形及因之引起的内应力，轻者使加工精度下降、设备寿命缩短，重者造成设备崩塌出现灾难性事故。近年来各向同性石墨的需求迅速增长。

物质的单晶体通常都具有各向异性的特征。石墨是碳的一种结晶形态，石墨的晶体结构是由正六角网状的碳原子平面平行堆垛而成，是典型的层状结构。碳原子平面堆垛的方式不同，形成六方结构石墨和菱方结构石墨，两种结构的石墨理化性质基本相同，都具有明显的各向异性，例如碳原子平面上的导电率比垂直平面方向的导电率要高两个数量级以上。石墨颗粒和石墨制品是石墨晶粒的聚集体，如果石墨晶体的聚集有一定的取向性，那么石墨颗粒和石墨制品就会具有各向异性。例如天然鳞片石墨颗粒的鳞片面上的导电性比垂直片面方向的高得多，挤压成型的石墨电极的轴向导电性比垂直方向的好等。只有石墨晶体聚集时在空间各个方向都相同，石墨颗粒及制品才会表现为各向同性。

石墨材料的结晶度即石墨化度是一个重要指标，结晶越完整，石墨化度越高，石墨的优越性质表现的越充分，例如石墨化度越高，导电性越大，热膨胀系数越低，抗氧化温度越高等。石墨化度由下式计算：

$g=\frac{0.344-d}{0.344-0.3354}\×100\%$

式中g为石墨化度；d为x-衍射测得的石墨材料的(002)晶面的面间距，单位为nm；0.344(nm)为无定形炭即非石墨态的(002)面间距；0.3354(nm)为理想石墨晶体的(002)面间距，其石墨化度为100％。

石墨制品的各向异性程度的标定，采用各向异性指数(各向异性因子)α来表示。各向异性指数α由石墨制品不同方向的同一物理性能数值的比值求得，α≤1，通常取制品的平行轴(长度)向和垂直轴向两个方向的热膨胀系数来计算。日本东洋炭素株式会社将α≤1.10界定为各向同性石墨，将1.10≤α≤1.20界定为准各向同性石墨，α＞1.20称为各向异性石墨。而西格里公司等则将α达1.30、1.40者也称为准各向同性石墨。本发明中所述的各向同性石墨，其各向异性指数α≤1.25。

各向同性石墨的制备在技术上难度很大。制备技术的关键一个是采用取向度小的原料，一个是采用减低物料择优取向的成型方法。在原料上，采用美国科罗拉多州产的沥青矿制备的球形焦为原料可以制备优质各向同性石墨，近来报道采用中间相碳微球为原料制备各向同性石墨，但存在资源稀少，成本很高；制备的成型方法限制大；制品的各向同性性能低的缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种各向同性石墨制品及其制备方法，制备的成型方法限制小；制品的各向同性性能高；具有所用资源丰富，成本低的特点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种各向同性石墨制品，其原料包括粘结剂与骨料，粘结剂与骨料的质量比为(0.30-0.70)∶1，所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的30-100％，其余料为石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球中的一种或两种以上；当其余料为两种以上时，石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球之间没有比例限定；所述的天然微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为90-99.99％的天然微晶石墨，其粒度为1-150μm；所述的粘结剂为沥青、酚醛树脂、糠醛树脂或环氧树脂的树脂类物料。

本发明的石墨制品的各向异性指数α≤1.25，其具体参数为：模压成型的制品，各向异性指数α≤1.20；振动成型和等静压成型的制品，各向异性指数α≤1.10；挤压成型的制品，各向异性指数α≤1.25。

一种各向同性石墨制品的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将质量比为(0.30-0.70)∶1的粘结剂与骨料混合均匀：可以在高于粘结剂软化点50-70℃的温度下，在混捏机中混捏均匀；也可以先将粘结剂配成3-30wt％的粘结剂溶液，然后将骨料粉体浸渍在粘结剂溶液中，搅拌均匀，滤掉多余溶液，在80-250℃下干燥，挥发掉溶剂，得到均匀混合产物，粉碎成粒度≤5mm的粉体，

所述粘结剂溶液的溶剂为水、甲苯、喹啉、四氯化碳、石油醚、溶剂汽油、醇类、酮类或酯类溶剂，不同的粘结剂适用的溶剂不同，沥青可以用甲苯、喹啉、四氯化碳、石油醚、汽油作为溶剂；酚醛和糠醛树脂可以用醇类作为溶剂，水溶性酚醛树脂可以用水作为溶剂；环氧树脂可以用酮类或酯类作为溶剂。

还可以先将粘结剂与其溶剂配成5-70wt％的粘结剂溶液，再将骨料粉体与粘结剂溶液配成质量比为粘结剂溶液∶骨料粉＝1∶(0.5-0.1)的浆体，最后通过喷雾造型干燥，成型粒度≤200μm，喷雾室温度等于或高于所用溶液溶剂的沸点，得到混合均匀的粉料，

所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的30-100％，其余料为石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球中的一种或两种以上；当其余料为两种以上时，石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球之间没有比例限定；所述的天然微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为90-99.99％的天然微晶石墨，其粒度为1-150μm；所述的粘结剂为沥青、酚醛树脂、糠醛树脂或环氧树脂的树脂类物料，

第二步，对所获得的骨料与粘结剂均匀混合的物料采用挤压成型、模压成型、振动成型或等静压成型形成成型坯料，采用的成型工艺与普通石墨制品的成型工艺相同，

第三步，对成型坯料进行焙烧，焙烧温度在900-1200℃，

第四步，对焙烧过的成型坯料进行1-3遍的浸渍和二次焙烧。浸渍时，先对浸渍罐抽真空达≤600mmHg，灌入熔融的沥青，在0.3-1.5Mpa压力下浸渍，浸渍过的成型坯料在700-900℃二次焙烧，每一遍的二次焙烧温度可以不同，

第五步，对完成浸渍和二次焙烧的成型坯料进行石墨化处理，石墨化处理温度为2200-3000℃，但对于要求抗折强度50Mpa以上的各向同性石墨制品，采用的天然微晶石墨固定碳含量≥98％，且天然微晶石墨在骨料中所占质量比≥50％时，最后的二次焙烧温度为900-1400℃，可以不进行石墨化处理。

由于天然微晶石墨资源丰富，故而成本低；由于由于天然微晶石墨的每个颗粒具有很好的各向同性，所以工艺上受成型方式的限制小；由于天然微晶石墨的各向异性指数小，所以其制品的各向同性性能好。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种各向同性石墨制品，其原料包括粘结剂与骨料，粘结剂与骨料的质量比为0.45∶1，所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的100％；所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，固定碳含量为99.9％，粒度≤40μm，；所述的粘结剂为煤沥青。

一种各向同性石墨制品的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将质量比为0.45∶1的粘结剂与骨料在150℃温度下，在混捏机中混捏均匀，所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的100％；所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，固定碳含量为99.9％，粒度≤40μm，；所述的粘结剂为煤沥青，

第二步，对所获得的混捏均匀的物料采用模压成型，模具中Φ300×300(mm)，模压温度150℃，压力75Mpa，

第三步，对成型坯料进行焙烧，焙烧温度在1200℃，

第四步，对焙烧过的成型坯料进行2遍的浸渍和二次焙烧，浸渍时，先对浸渍罐抽真空达≤100mmHg，灌入熔融的沥青，在0.8Mpa压力下浸渍，浸渍过的成型坯料在900℃二次焙烧，

第五步，对完成浸渍和二次焙烧的成型坯料进行石墨化处理，石墨化处理温度为2800℃。

所得石墨制品：体积密度1.88g/cm³，石墨化度g＝90％，各向异性指数α＝1.04，抗折强度34MPa。

实施例2

一种各向同性石墨制品，其原料包括粘结剂与骨料，粘结剂与骨料的质量比为0.45∶1，所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的90％，沥青焦占10％；所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，固定碳含量为99.9％，粒度≤40μm，；所述的粘结剂为煤沥青。

一种各向同性石墨制品的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将质量比为0.45∶1的粘结剂与骨料在150℃温度下，在混捏机中混捏均匀，所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的90％，沥青焦占10％；所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，固定碳含量为99.9％，粒度≤40μm，；所述的粘结剂为煤沥青，

第二步，对所获得的混捏均匀的物料采用模压成型，模具Φ300×300(mm)，模压温度150℃，压力75Mpa，

第三步，对成型坯料进行焙烧，焙烧温度在1200℃，

第四步，对焙烧过的成型坯料进行2遍的浸渍和二次焙烧，浸渍时，先对浸渍罐抽真空达≤100mmHg，灌入熔融的沥青，在0.8Mpa压力下浸渍，第1遍浸渍过的成型坯料在900℃二次焙烧。第2遍浸渍过的成型坯料二次焙烧的温度为1300℃。

所得石墨制品：体积密度1.85g/cm³，石墨化度g＝78％，各向异性指数α＝1.08，抗折强度68MPa。

实施例3

一种各向同性石墨制品，其原料包括粘结剂与骨料，粘结剂与骨料的质量比为0.45∶1，所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的90％，其余为沥青焦，占骨料质量的10％；所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为95％的天然微晶石墨，其粒度≤40μm；所述的粘结剂为沥青。

一种各向同性石墨制品的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将质量比为0.45∶1的粘结剂与骨料在140℃温度下，在混捏机中混捏均匀，所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为95％的天然微晶石墨，其粒度≤40μm；所述的粘结剂为沥青，

第二步，对所获得的骨料与粘结剂均匀混合的物料采用挤压成型形成成型坯料，140℃挤压成型，坯料Φ100×200(mm)，

第三步，对成型坯料进行焙烧，焙烧温度在1200℃，

第四步，对焙烧过的成型坯料进行1遍的浸渍和二次焙烧，浸渍时，先对浸渍罐抽真空达≤100mmHg，灌入熔融的沥青，在0.8Mpa压力下浸渍，浸渍过的成型坯料在900℃二次焙烧，

第五步，对完成浸渍和二次焙烧的成型坯料进行石墨化处理，石墨化处理温度为2700℃。

所得石墨制品：体积密度1.75g/cm³，石墨化度g＝85％，各向异性指数α＝1.23。

实施例4

一种各向同性石墨制品，其原料包括粘结剂与骨料，粘结剂与骨料的质量比为0.30∶1，所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的75％，石墨返回料占骨料质量的10％，石油焦占骨料质量的15％；所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为98％的天然微晶石墨，其粒度≤40μm；所述的粘结剂为沥青。

一种各向同性石墨制品的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将质量比为0.30∶1的粘结剂与骨料混合均匀：

先将粘结剂配成10wt％的粘结剂溶液，然后将骨料粉体浸渍在粘结剂溶液中，搅拌均匀，滤掉多余溶液，在230℃下干燥，挥发掉溶剂，得到均匀混合产物，粉碎成≤0.5mm的粉体；所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的75％，石墨返回料占骨料质量的10％，石油焦占骨料质量的15％；所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为98％的天然微晶石墨，其粒度≤40μm；所述的粘结剂为沥青；所述粘结剂溶液的溶剂为喹啉，

第二步，对所获得的骨料与粘结剂均匀混合的物料采用等静压成型形成成型坯料，成型压力200Mpa，坯料Φ70×100(mm)，

第三步，对成型坯料进行焙烧，焙烧温度在1200℃，

第四步，对焙烧过的成型坯料进行2遍的浸渍和二次焙烧，浸渍时，先对浸渍罐抽真空达≤100mmHg，灌入熔融的沥青，在0.8Mpa压力下浸渍，浸渍过的成型坯料在900℃二次焙烧，每遍二次焙烧的温度相同，

第五步，对完成浸渍和二次焙烧的成型坯料进行石墨化处理，石墨化处理温度为2800℃。

所得石墨制品：体积密度1.82g/cm³，石墨化度g＝85％，各向异性指数α＝1.02。

实施例5

一种各向同性石墨制品，其原料包括粘结剂与骨料，粘结剂与骨料的质量比为0.30∶1，所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的75％，石墨返回料占骨料质量的10％，石油焦占骨料质量的15％。所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为98％的天然微晶石墨，其粒度≤40μm；所述的粘结剂为酚醛树脂。

一种各向同性石墨制品的制备方法，包括以下步骤：

第一步，先将粘结剂与乙醇配成15wt％的粘结剂溶液，再将骨料粉体与粘结剂溶液配成质量比为粘结剂溶液∶骨料粉＝1∶0.4的浆体，最后通过喷雾造型干燥，成型为粒度≤100μm的复合粉体，喷雾室温度为100℃，并得到混合均匀的粉料。所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的75％，石墨返回料占骨料质量的10％，石油焦占骨料质量的15％。所述的微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为98％的天然微晶石墨，其粒度≤40μm；所述的粘结剂为酚醛树脂，

第二步，对所获得的骨料与粘结剂均匀混合的物料采用等静压成型形成成型坯料，成型压力200Mpa，坯料Φ70×100(mm)，

第三步，对成型坯料进行焙烧，焙烧温度在1200℃，

第四步，对焙烧过的成型坯料进行2遍的浸渍和二次焙烧，浸渍时，先对浸渍罐抽真空达≤100mmHg，灌入熔融的沥青，在0.8Mpa压力下浸渍，浸渍过的成型坯料在900℃二次焙烧，每一遍二次焙烧的温度相同，

第五步，对完成浸渍和二次焙烧的成型坯料进行石墨化处理，石墨化处理温度为2800℃。

所得石墨制品：体积密度1.85g/cm³，石墨化度g＝85％，各向异性指数α＝1.01。

综上所述，本发明具有所用资源丰富，成本低；制备的成型方法限制小；制品的各向同性性能高的特点，因而可在石墨制备技术领域推广。

Claims (3)

1.一种各向同性石墨制品的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将质量比为(0.30-0.70)∶1的粘结剂与骨料混合均匀：

在高于粘结剂软化点50-70℃的温度下，在混捏机中混捏均匀；

或先将粘结剂配成3-30wt％的粘结剂溶液，然后将骨料粉体浸渍在粘结剂溶液中，搅拌均匀，滤掉多余溶液，在80-250℃下干燥，挥发掉溶剂，得到均匀混合产物，粉碎成粒度≤5mm的粉体，

所述粘结剂溶液的溶剂为水、甲苯、喹啉、四氯化碳、石油醚、溶剂汽油、醇类、酮类或酯类溶剂，

或先将粘结剂与其溶剂配成5-70wt％的粘结剂溶液，再将骨料粉体与粘结剂溶液配成质量比为粘结剂溶液∶骨料粉＝1∶(0.5-0.1)的浆体，最后通过喷雾造型干燥，成型粒度≤200μm，喷雾室温度等于或高于所用溶液溶剂的沸点，得到混合均匀的粉料，

所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的30-100％，其余料为石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球中的一种或两种以上；当其余料为两种以上时，石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球之间没有比例限定；所述的天然微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为90-99.99％的天然微晶石墨，其粒度为1-150μm；所述的粘结剂为沥青、酚醛树脂、糠醛树脂或环氧树脂，

第二步，对所获得的骨料与粘结剂均匀混合的物料采用挤压成型、模压成型、振动成型或等静压成型形成成型坯料，采用的成型工艺与普通石墨制品的成型工艺相同，

第三步，对成型坯料进行焙烧，焙烧温度在900-1200℃，

第四步，对焙烧过的成型坯料进行1-3遍的浸渍和二次焙烧，浸渍时，先对浸渍罐抽真空达≤600mmHg，灌入熔融的沥青，在0.3-1.5MPa压力下浸渍，浸渍过的成型坯料在700-900℃二次焙烧，

第五步，对完成浸渍和二次焙烧的成型坯料进行石墨化处理，石墨化处理温度为2200-3000℃。

2.一种各向同性石墨制品的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将质量比为(0.30-0.70)∶1的粘结剂与骨料混合均匀：

在高于粘结剂软化点50-70℃的温度下，在混捏机中混捏均匀；

或先将粘结剂配成3-30wt％的粘结剂溶液，然后将骨料粉体浸渍在粘结剂溶液中，搅拌均匀，滤掉多余溶液，在80-250℃下干燥，挥发掉溶剂，得到均匀混合产物，粉碎成粒度≤5mm的粉体，

所述粘结剂溶液的溶剂为水、甲苯、喹啉、四氯化碳、石油醚、溶剂汽油、醇类、酮类或酯类溶剂，

或先将粘结剂与其溶剂配成5-70wt％的粘结剂溶液，再将骨料粉体与粘结剂溶液配成质量比为粘结剂溶液∶骨料粉＝1∶(0.5-0.1)的浆体，最后通过喷雾造型干燥，成型粒度≤200μm，喷雾室温度等于或高于所用溶液溶剂的沸点，得到混合均匀的粉料，

所述的骨料的组分为：天然微晶石墨占骨料质量的质量比≥50％，其余料为石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球中的一种或两种以上；当其余料为两种以上时，石墨返回料、沥青焦、石油焦、二次焦和中间相碳微球之间没有比例限定；所述的天然微晶石墨是经过纯化的天然微晶石墨，即原矿经化学或物理方法提纯后，固定碳含量为98-99.99％的天然微晶石墨，其粒度为1-150μm；所述的粘结剂为沥青、酚醛树脂、糠醛树脂或环氧树脂，

第二步，对所获得的骨料与粘结剂均匀混合的物料采用挤压成型、模压成型、振动成型或等静压成型形成成型坯料，采用的成型工艺与普通石墨制品的成型工艺相同，

第三步，对成型坯料进行焙烧，焙烧温度在900-1200℃，

第四步，对焙烧过的成型坯料进行1-3遍的浸渍和二次焙烧，浸渍时，先对浸渍罐抽真空达≤600mmHg，灌入熔融的沥青，在0.3-1.5MPa压力下浸渍，二次焙烧温度为900-1400℃，得到抗折强度50MPa以上的各向同性石墨制品。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法得到的一种各向同性石墨制品，其特征在于，挤压成型的制品，各向异性指数α≤1.25；模压成型的制品，各向异性指数α≤1.20；等静压或振动成型的制品，各向异性指数α≤1.10。