CN109503167A - 一种陶瓷相增强的高强度石墨板及其制备方法 - Google Patents

一种陶瓷相增强的高强度石墨板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷相增强的高强度石墨板及其制备方法，本发明石墨板由石墨废料50～70份，改质沥青10～40份，陶瓷相增强体0.01～0.2份和分散剂0.02～0.4份组成，通过添加陶瓷相增强体，使得本发明石墨板的力学性能优异，使用寿命长。本发明将生产过程中产生的石墨废料有效利用起来，变废为宝，绿色环保。同时，本发明制备方法工艺简单，无操作难度，方便快捷，适合大规模化生产，经济效益显著。

Description

一种陶瓷相增强的高强度石墨板及其制备方法
技术领域
本发明涉及高强度石墨板领域，特别是涉及陶瓷相增强的高强度石墨板。
背景技术
石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子(排列方式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合，构成共价分子。
早在二十世纪三十年代，中国黑龙江鸡西柳毛、山东南墅石墨矿就开始了石墨的生产加工。当时选矿工艺流程简单，工人劳动条件差，生产率极低，年产量仅有几千吨。经过几十年的发展，我国石墨及碳素制品产量快速上升，2004～2011年，石墨及碳素制品产量年复合增长率达22.12％。2011年，我国石墨及碳素制品产量为2556.17万吨，同比增长21.98％。
石墨及碳素制品具备优良的性能，应用日益广泛，产能及效益呈快速增长趋势。2011年，中国石墨及碳素制品行业发展迅速，行业内企业对成本费用的管理控制能力较高，盈利能力较强。国家统计局数据显示，2011年，我国石墨及碳素制品行业实现工业总产值1675.64亿元；实现销售收入1677.65亿元，同比增长40.58％；实现利润总额109.59亿元，同比增长50.87％。随着应用的不断推广，看中国石墨及碳素制品行业的竞争也日趋激烈。
中国规模以上石墨及碳素制品企业较多，集中度低。截至2011年末，中国规模以上石墨及碳素制品企业达871家，销售收入排名前十的企业销售收入总额仅占全行业的13.46％。从世界石墨及碳素制品市场的发展趋势和竞争格局来看，未来我国石墨及碳素制品行业将逐步向大集团集中，石墨及碳素制品行业的集中度将会进一步提高。
随着中国冶金、化工、机械、医疗器械、核能、汽车、航空航天等行业的快速发展，这些行业对石墨及碳素制品的需求将会不断增长，我国石墨及碳素制品行业将保持快速增长。2006～2011年，我国石墨及碳素制品行业销售收入年复合增长率为36.56％。根据当前国内外经济形势，结合2006～2011年中国石墨及碳素制品行业销售收入数据及中国经济增长数据，粗略估计2012～2015年我国石墨及碳素制品行业销售收入年复合增长率为21％，2015年，我国石墨及碳素制品行业销售收入将达到3400亿元。
石墨板材在实际生产、制造中使用得非常广泛，但随着社会的发展，实际应用中对材料性能的要求在逐步提高，因此，需不断开发新的性能优异的石墨板材料。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种陶瓷相增强的高强度石墨板，提升石墨板材强度，同时节约成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种陶瓷相增强的高强度石墨板，由以下重量份的组分组成：石墨废料50～70份，改质沥青10～40份，陶瓷相增强体0.01～0.2份和分散剂0.02～0.4份。
本发明所使用的石墨废料是指在加工石墨制品时，所产生的石墨废料或边角料。
进一步地，所述改质沥青为高温改质煤沥青。
进一步地，所述高温改质煤沥青的软化点(SP)为100～110℃；所述高温改质煤沥青中，喹啉不容物(QI)为7～12％，甲苯不容物(BI)为25～35％。
进一步地，所述陶瓷相增强体选自硼酸铝增强体和/或氮化铝增强体。
进一步地，所述陶瓷相增强体的形态为颗粒、纤维和晶须中的一种或几种的混合形态。
进一步地，所述分散剂为阿拉伯胶。
本发明实施例中所使用的阿拉伯胶为经过精制过程而得的粉末状阿拉伯胶。
本发明还提供了一种上述陶瓷相增强的高强度石墨板的制备方法，包括下列步骤：
(1)将石墨废料、改质沥青粉碎，与陶瓷相增强体和分散剂混合均匀，得第一混料；
(2)将第一混料进行磨粉细化至粒径为20～80μm，得第二混料；
(3)将第二混料在100～150℃在搅拌后倒入模具内压制成形；
(4)将步骤(3)中压制成型的混合物在保护气的氛围下在1000～1500℃进行焙烧后即得成品。
进一步地，所述步骤(3)中，将第二混料在100～150℃在搅拌2～4h。
进一步地，所述步骤(4)中，焙烧时间为200～400h。
进一步地，所述步骤(4)中，焙烧完后将温度冷却至150～250℃再将成品取出；所述保护气为氮气或惰性气体。
保护气的作用为在焙烧过程中将石墨板与空气中的氧气隔绝，防止高温下石墨等成分被氧化影响了最终石墨板材料的性能，因此，凡是在高温下不与石墨板材中的各个成分反应的气体，均能作为此步骤中的保护气。
本发明的有益效果是：
(1)本发明石墨板组分简单，原料来源广泛，成本低廉，添加了少量特定的陶瓷相增强体，使得本发明石墨板的力学性能优异，抗折强度和抗压强度明显优于市场上现有的石墨板，使用寿命长。
(2)本发明将生产过程中产生的石墨废料有效利用起来，变废为宝，绿色环保。
(3)本发明制备方法工艺简单，无操作难度，方便快捷，适合大规模化生产，经济效益显著。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将石墨废料50kg、改质沥青10kg用粉碎机粉碎，与硼酸铝晶须增强体0.01kg和阿拉伯胶0.02kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在100℃的加热条件下搅拌4h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1000℃进行焙烧，400h后将焙烧炉冷却至150℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例2
(1)将石墨废料70kg、改质沥青40kg用粉碎机粉碎，与硼酸铝晶须增强体0.2kg和阿拉伯胶0.4kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在150℃的加热条件下搅拌2h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1500℃进行焙烧，200h后将焙烧炉冷却至250℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例3
(1)将石墨废料60kg、改质沥青25kg用粉碎机粉碎，与硼酸铝晶须增强体0.1kg和阿拉伯胶0.2kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在130℃的加热条件下搅拌3h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1200℃进行焙烧，300h后将焙烧炉冷却至200℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例4
(1)将石墨废料65kg、改质沥青20kg用粉碎机粉碎，与硼酸铝晶须增强体0.05kg和阿拉伯胶0.1kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在140℃的加热条件下搅拌3h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1300℃进行焙烧，250h后将焙烧炉冷却至220℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例5
(1)将石墨废料60kg、改质沥青30kg用粉碎机粉碎，与硼酸铝晶须增强体0.02kg和阿拉伯胶0.04kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在120℃的加热条件下搅拌3.5h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1400℃进行焙烧，250h后将焙烧炉冷却至200℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例6
(1)将石墨废料70kg、改质沥青20kg用粉碎机粉碎，与氮化铝纤维增强体0.01kg和阿拉伯胶0.02kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在150℃的加热条件下搅拌2h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1500℃进行焙烧，200h后将焙烧炉冷却至200℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例7
(1)将石墨废料65kg、改质沥青30kg用粉碎机粉碎，与氮化铝纤维增强体0.03kg和阿拉伯胶0.06kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在140℃的加热条件下搅拌2.5h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1400℃进行焙烧，250h后将焙烧炉冷却至220℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例8
(1)将石墨废料60kg、改质沥青25kg用粉碎机粉碎，与氮化铝纤维增强体0.01kg和阿拉伯胶0.02kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在120℃的加热条件下搅拌3h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1000℃进行焙烧，350h后将焙烧炉冷却至250℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例9
(1)将石墨废料70kg、改质沥青15kg用粉碎机粉碎，与硼酸铝晶须增强体0.1kg和阿拉伯胶0.2kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在135℃的加热条件下搅拌3h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1250℃进行焙烧，250h后将焙烧炉冷却至250℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例10
(1)将石墨废料55kg、改质沥青10kg用粉碎机粉碎，与氮化铝纤维增强体0.01kg和阿拉伯胶0.02kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在150℃的加热条件下搅拌2h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1500℃进行焙烧，200h后将焙烧炉冷却至250℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例11
(1)将石墨废料65kg、改质沥青10kg用粉碎机粉碎，与硼酸铝晶须增强体0.02kg和阿拉伯胶0.04kg混合均匀，得第一混料。
(2)将第一混料通过磨粉机进行磨粉细化，使物料的粒径在20～80μm的范围内，得第二混料。
(3)将第二混料在130℃的加热条件下搅拌2.5h，然后倒入模具内压制成形。
(4)在保护气的氛围下，将步骤(3)中压制成型的混合物在1100℃进行焙烧，360h后将焙烧炉冷却至230℃取出，即得本发明陶瓷相增强的高强度石墨板。
实施例12
对照品的制作：使用石墨废料70kg、改质沥青15kg和阿拉伯胶0.2kg做原料，通过实施例9的方法制得不含陶瓷增强相的石墨板。
将各实施例中制得的成品、对照品和市售石墨板进行测试，数据如表1：
表1
抗折强度(Mpa) 抗压强度(Mpa) 灰分(％)
实施例1 28 48 0.50
实施例2 35 55 0.40
实施例3 34 56 0.38
实施例4 45 70 0.20
实施例5 32 60 0.35
实施例6 30 55 0.25
实施例7 37 50 0.33
实施例8 40 60 0.45
实施例9 42 65 0.44
实施例10 38 60 0.50
实施例11 43 66 0.44
对照品 25 45 0.50
市售石墨板 27 45 0.46
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种陶瓷相增强的高强度石墨板，其特征在于，由以下重量份的组分组成：石墨废料50～70份，改质沥青10～40份，陶瓷相增强体0.01～0.2份和分散剂0.02～0.4份。
2.根据权利要求1所述的石墨板，其特征在于，所述改质沥青为高温改质煤沥青。
3.根据权利要求2所述的石墨板，其特征在于，所述高温改质煤沥青的软化点为100～110℃；所述高温改质煤沥青中，喹啉不容物为7～12％，甲苯不容物为25～35％。
4.根据权利要求1所述的石墨板，其特征在于，所述陶瓷相增强体选自硼酸铝增强体和/或氮化铝增强体。
5.根据权利要求4所述的石墨板，其特征在于，所述陶瓷相增强体的形态为颗粒、纤维和晶须中的一种或几种的混合形态。
6.根据权利要求1所述的石墨板，其特征在于，所述分散剂为阿拉伯胶。
7.一种如权利要求1～6所述的石墨板的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)将石墨废料、改质沥青粉碎，与陶瓷相增强体和分散剂混合均匀，得第一混料；
(2)将第一混料进行磨粉细化至粒径为20～80μm，得第二混料；
(3)将第二混料在100～150℃搅拌后倒入模具内压制成形；
(4)将步骤(3)中压制成型的混合物在保护气的氛围下在1000～1500℃进行焙烧后即得成品。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将第二混料在100～150℃搅拌2～4h。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，焙烧时间为200～400h。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，焙烧完后将温度冷却至150～250℃再将成品取出；所述保护气为氮气或惰性气体。
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