CN102583346B - 特种石墨的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特种石墨的制备方法，是将高纯度的炭质材料与高纯度的煤沥青于混捏机内充分混合后进行轧片、气流粉碎，得到高纯超细的混合焦粉；超细混合焦粉先采用冷等静压成型，而后采用热等静压和石墨化处理，便可得到高性能的特种石墨样品。本方法制备的特种石墨的理化性能优越，满足各向同性的要求，工艺流程短、能耗低、生产成本低，系统产生的“三废”经处理后达标排放，达到国家环保要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种由炭质原料生产具备各向同性特点的特种石墨的制备方法。
背景技术
特种石墨是指高强度、高密度、高纯度的石墨制品（又称三高石墨、等静压石墨），广泛应用于冶金、化工、航天、电子、机械、核能等工业领域。尤其是大规格高质量的高纯石墨，作为替代性材料，在高科技、新技术领域有着宽广的应用空间，具有广泛的应用前景，被誉为21世纪最有前途的材料之一。
特种石墨材料的制备在技术上难度很大。制备技术的关键其中一个是取向度小的原料，另一个是采用减低物料择优取向的成型方法。近年来报道采用中间相碳微球为原料制备特种石墨，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
本发明为解决上述技术问题而提供一种特种石墨的制备方法，其生产效率高、设备投资少、生产流程短，并且对环境的影响比较小、能耗低、成本低、产品纯度高，能够满足各向同性的要求。
本发明通过以下技术方案实现：一种特种石墨的制备方法，其制备方法包括如下步骤：
（1）炭质原料提纯处理后得到纯度达到99.99%以上的高纯度炭质原料，煤沥青经过有机溶剂萃取提纯得到纯度达到99.99%以上的高纯度煤沥青；
（2）提纯后的高纯度炭质原料与高纯度煤沥青按照一定比例混合后，投入混捏设备中进行混捏得到炭质原料和煤沥青的混合焦粉，混合焦粉投入轧片设备中，控制好轧片温度，使得混合焦粉能够进一步地充分混合。经过轧片后的混合焦粉进入气流粉碎机进行粉碎，得到超细混合焦粉；
（3）超细混合焦粉先装入包套中，然后对包套内的混合焦粉进行真空排气与加密定形；接着将排气后的内装混合焦粉的包套置入冷等静压设备中进行成型处理，得到特种石墨生坯；
（4）特种石墨生坯置入金属包套内，密封处理，放置于热等静压设备中，控制好升降温速率和升泄压速率；
（5）将热等静压处理后的物料于石墨化炉内进行石墨化处理，经过高温处理后，得到的产品为特种石墨产品。系统产生的“三废”经处理后达标排放，达到国家环保要求。
上述步骤（1）所采用的炭质原料为煅后石油焦、提纯后的铝电解废旧阴极炭粉、天然石墨粉或无烟煤中的一种或几种的混合物。
上述步骤（1）中煤沥青提纯所采用的有机溶剂为甲苯、四氯化碳、乙醇、苯中的一种或几种的混合物。
上述的步骤（2）~（5）中的技术条件为：
（1）混捏时高纯度炭质原料与高纯度煤沥青的配比按质量比例为1:3~0.2，混捏的温度为80~250 ℃，混捏的时间为0.5~10 h；混合焦粉的轧片温度为120~250 ℃；
（2）气流粉碎机处理后的物料超细混合焦粉的粒度为D95±5≤10 μm；
（3）冷等静压设备中成型处理的压力为100~350 MPa，升压速率为1~120 MPa/min，泄压速率为1~100 MPa/min，保压时间为1~300 min；
（4）热等静压设备中处理的压力为50~150 MPa，升压速率为5~25 MPa/min，泄压速率为10~25 MPa/min；以≤2.5 ℃/h的速度升温至800~1000 ℃，并保持温度1~20 h，泄压速率≤5 ℃/h；
（5）石墨化处理的温度为2200~2800 ℃，升温速率为5~20 ℃/h，降温速率≤5 ℃/h。
上述步骤（1）中炭质原料提纯处理可采用CN201110053025.4记载的技术方案得到高纯度炭质原料；煤沥青提纯处理可采用CN201110145485.X中记载的技术方案得到高纯度煤沥青。
本发明的有益效果是：炭质原料和煤沥青经过提纯、混捏、轧片、气流粉碎、冷等静压处理、热等静压处理、石墨化处理后得到特种石墨。该工艺流程短、容易实现工业化生产、安全性好，能耗低，生产成本低，环境污染小。产生的“三废”经处理后达标排放，达到国家环保要求，获得的特种石墨的各种理化性能均保持较好水平。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
炭质原料提纯处理得到高纯度炭质原料采用CN201110053025.4中的技术方案；煤沥青提纯得到高纯度煤沥青采用CN201110145485.X中的技术方案。
高纯度炭质原料与高纯度煤沥青混合后加料于混捏机内，控制混捏温度和混捏时间；而后将混合物料趁热进行轧片操作。轧片后的混合料进行气流粉碎，得到超细混合焦粉。将混合焦粉投入冷等静压设备中进行成型处理，得到特种石墨生坯。特种石墨生坯经过热等静压和石墨化处理后得到特种石墨样品。
实施例一
炭质原料为铝电解废旧阴极和天然石墨的混合物，煤沥青提纯的溶剂为甲苯；炭质原料与煤沥青的配比为1:1.5，混捏温度为150℃，混捏时间为3h，轧片的温度为200℃。成型中冷等静压的压力为200 MPa，升压速率30 MPa/min，泄压速率为30 MPa/min，保压时间为20 min；热等静压处理的压力为100 MPa，升压速率为10 MPa/min，泄压速率为15 MPa/min；以≤2.0 ℃/h的速度升温至800℃，并保持温度10 h，降温速率≤5 ℃/h。石墨化处理的温度为2600 ℃，升温速率为10 ℃/h，降温速率≤5 ℃/h。
实施结果：特种石墨的密度为1.85 g/cm3 ，肖氏硬度为55，弹性模量为11 GPa，抗压强度为67 MPa，电阻率为12 μΩm，线性热膨胀系数为4.6×10-6 /℃。
实施例二
炭质原料为煅后石油焦和无烟煤的混合物，煤沥青提纯的溶剂为四氯化碳；炭质原料与煤沥青的配比为1:1.2，混捏温度为180 ℃，混捏时间为5 h，轧片的温度为180 ℃。成型中冷等静压的压力为250 MPa，升压速率20 MPa/min，泄压速率为50 MPa/min，保压时间为15 min；热等静压处理的压力为150 MPa，升压速率为13 MPa/min，泄压速率为20 MPa/min；以≤2.5 ℃/h的速度升温至900 ℃，并保持温度5 h，降温速率≤5 ℃/h。石墨化处理的温度为2700 ℃，升温速率为15 ℃/h，降温速率≤5 ℃/h。
实施结果：特种石墨的密度为1.90 g/cm3 ，肖氏硬度为56，弹性模量为15 GPa，抗压压强为67 MPa，电阻率为10 μΩm，线性热膨胀系数为5.0×10-6 /℃。
实施例三
炭质原料为煅后石油焦，煤沥青提纯的溶剂为乙醇；炭质原料与煤沥青的配比为1:0.9，混捏温度为150 ℃，混捏时间为4 h，轧片的温度为190 ℃。成型中冷等静压的压力为270 MPa，升压速率25 MPa/min，泄压速率为45 MPa/min，保压时间为25 min；热等静压处理的压力为180 MPa，升压速率为20 MPa/min，泄压速率为35 MPa/min；以≤1.8 ℃/h的速度升温至850 ℃，并保持温度8 h，降温速率≤5 ℃/h。石墨化处理的温度为2650 ℃，升温速率为21 ℃/h，降温速率≤5 ℃/h。
实施结果：特种石墨的密度为1.89 g/cm3 ，肖氏硬度为57，弹性模量为13 GPa，抗压压强为66 MPa，电阻率为11 μΩm，线性热膨胀系数为4.8×10-6 /℃。
Claims (1)
1.一种特种石墨的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）炭质原料提纯处理后得到纯度达到99.99%以上的高纯度炭质原料，煤沥青经过有机溶剂萃取提纯得到纯度达到99.99%以上的高纯度煤沥青；
（2）提纯后的高纯度炭质原料与高纯度煤沥青按照一定比例混合后，投入混捏设备中进行混捏得到炭质原料和煤沥青的混合焦粉，混合焦粉经过轧片后进入气流粉碎机，得到超细混合焦粉；
（3）超细混合焦粉装入包套中，然后对其进行排气与定形；排气后的混合焦粉置入冷等静压设备中进行成型处理，得到特种石墨生坯；
（4）特种石墨生坯置入金属包套内，于热等静压设备内进行操作；
（5）热等静压处理后的物料于石墨化炉内进行石墨化处理，经过高温处理后，得到的产品为特种石墨产品；
步骤（1）所采用的炭质原料为煅后石油焦、提纯后的铝电解废旧阴极炭粉、天然石墨粉或无烟煤中的一种或几种的混合物；煤沥青提纯所采用的有机溶剂为甲苯、四氯化碳、乙醇、苯中的一种或几种的混合物；
所述步骤（2）~（5）中的技术条件为：
（1）混捏时高纯度炭质原料与高纯度煤沥青的配比按质量比例为1:3~0.2，混捏的温度为80~250 ℃，混捏的时间为0.5~10 h；混合焦粉的轧片温度为120~250 ℃；
（2）气流粉碎机处理后的物料超细混合焦粉的粒度为D95±5≤10 μm；
（3）冷等静压设备中成型处理的压力为100~350 MPa，升压速率为1~120 MPa/min，泄压速率为1~100 MPa/min，保压时间为1~300 min；
（4）热等静压设备中处理的压力为50~150 MPa，升压速率为5~25 MPa/min，泄压速率为10~25 MPa/min；以≤2.5 ℃/h的速度升温至800~1000 ℃，并保持温度1~20 h，降温速率≤5 ℃/h；
（5）石墨化处理的温度为2200~2800 ℃，升温速率为5~20 ℃/h，降温速率≤5 ℃/h。
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