CN109704767A - 一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰及其锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰，制备该石墨烯、氮化硼复合法兰所采用的原料包括石墨烯粉、氮化硼粉、氧化石墨烯粉、钛粉、玻璃纤维、碳纤维板、热固性树脂和固化剂。一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰的锻造方法，包括如下步骤：步骤一：将石墨烯粉、氧化石墨烯粉、钛粉按一定的重量比混合成粉末混合物；步骤二：将步骤一制得的粉末混合物和热固性树脂、固化剂按一定的体积比混合，制成糊状物：步骤三：将步骤二制得的糊状物均匀涂抹在碳纤维板的两侧。有益效果在于：本发明采用石墨烯、氮化硼、碳纤维等符合材料制作复合法兰，所制法兰成品机械强度高，质量轻，抗疲劳腐蚀性能和耐磨性能强，有效满足市场需求，实用性好。

Description

一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰及其锻造方法

技术领域

本发明涉及复合法兰领域，具体涉及一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰及其锻造方法。

背景技术

法兰是轴与轴之间相互连接的零件，用于管端之间的连接；也有用在设备进出口上的法兰，因此其在工业设备中应用十分广泛，然而目前市场上常见的法兰在实际使用过程中仍存在一些问题。

目前，市场上常见的法兰一般都是锻造加工而成，尽管锻造法兰流线型好，组织比较致密，机械性能优于铸造法兰，但锻造成本高于铸造法兰，而且锻造材料普遍为钢材，而钢材在锻造加工过程中容易出现晶粒大或者晶粒不均导致法兰硬化裂纹，严重影响法兰的机械强度，因此锻造法兰质量不是很好，难以满足市场对高质量法兰的需求。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰及其锻造方法，以解决现有技术中传统的锻造法兰在锻造加工过程中容易出现晶粒大或者晶粒不均导致法兰硬化裂纹，影响法兰的机械强度，无法满足市场需求等问题。本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案采用石墨烯、碳纤维等符合材料制作复合法兰，成品机械强度高，质量轻，抗疲劳腐蚀性能和耐磨性能强，有效满足市场需求，实用性好等技术效果，详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰，制备该石墨烯、氮化硼复合法兰所采用的原料包括石墨烯粉、氮化硼粉、玻璃纤维网、氧化石墨烯粉、钛粉、碳纤维板、热固性树脂和固化剂。

本发明还公开了一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰的锻造方法，包括如下步骤：

步骤一：将石墨烯粉、氮化硼粉、氧化石墨烯粉、钛粉按一定的重量比混合成粉末混合物；

步骤二：将步骤一制得的粉末混合物和热固性树脂、固化剂按一定的体积比混合，制成糊状物：

步骤三：将步骤二制得的糊状物均匀涂抹在碳纤维板的两侧：

步骤四：将步骤三制得的表面涂抹有糊状物的多张碳纤维板叠放在一起，相邻两碳纤维板中间均匀布置有玻璃纤维网，然后压实形成石墨烯碳纤维生坯：

步骤五：将步骤四制得的石墨烯碳纤维生坯放入炭化炉内进行炭化，炭化的温度为2500℃～3000℃，加压20MPa，炭化时间为30小时，制得石墨烯碳纤维块坯：

步骤六：将步骤五制得的石墨烯碳纤维块坯锻造成石墨烯、氮化硼复合法兰。

作为上述技术方案的进一步改进：

步骤一中石墨烯粉、氮化硼粉、氧化石墨烯粉、钛粉的重量比为2.5：1：1：0.3。

步骤二中粉末混合物、热固性树脂、固化剂的体积比为1：2：1.5。

步骤三中碳纤维板表面的糊状物的厚度为1-3mm。

步骤四中所述玻璃纤维网的玻璃纤维单丝直径为14μm且均匀分布。

步骤四中压实工具为冷等静压机。

步骤四制得的石墨烯碳纤维生坯在进行炭化前需要先进行浸渍处理，即将石墨烯碳纤维生坯放入浸渍液中浸泡一段时间。

所述浸渍液为含铜离子、银离子、铝离子中的一种或多种的饱和溶液。

步骤六锻造完毕后还需对石墨烯、氮化硼复合法兰进行渗碳处理，处理温度为2800～3000℃，处理时间为21～24小时。

有益效果在于：本发明所述的一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰及其锻造方法采用石墨烯、氮化硼、碳纤维等符合材料制作复合法兰，所制法兰成品机械强度高，质量轻，抗疲劳腐蚀性能和耐磨性能强，有效满足市场需求，实用性好。氮化硼常见为六方晶型，在很大程度上物理性能跟石墨烯类似，能很好的取代石墨烯，在耐高温方面，氮化硼具有更好的优异性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供的一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰，制备该石墨烯、氮化硼复合法兰所采用的原料包括石墨烯粉、氮化硼粉、氧化石墨烯粉、钛粉、玻璃纤维、碳纤维板、热固性树脂和固化剂，石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，采用石墨烯粉做原料，使得制得的复合法兰不仅质量轻，而且机械强度远远高于钢制法兰，同时耐腐蚀性强、而且具有高模量的特性。氮化硼粉通常是指六方氮化硼[简称：h—BN，或a—BN，或g—BN(即石墨型氮化硼)]，h—BN不仅其结构而且其性能也与石墨极为相似，且自身洁白，所以俗称：白石墨，相比石墨烯而言，在有氧环境中更耐高温，因此原料中添加氮化硼，提升了复合材料的耐高温能力。氧化石墨烯粉主要是为了增强石墨烯、氮化硼复合材料法兰的柔软性，便于锻造加工，氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜以及两性分子的特性。钛粉主要用于增强复合法兰的机械强度，碳纤维板一方面用做基体涂抹糊状物，另一方面用于增强复合法兰的机械强度和韧性。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高的特点。热固性树脂和固化剂用于石墨烯粉、氧化石墨烯粉、钛粉混合形成糊状物。

本发明还公开了一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰的锻造方法，包括如下步骤：

步骤一：将石墨烯粉、氮化硼粉、氧化石墨烯粉、钛粉按一定的重量比混合成粉末混合物；

步骤二：将步骤一制得的粉末混合物和热固性树脂、固化剂按一定的体积比混合，制成糊状物：

步骤三：将步骤二制得的糊状物均匀涂抹在碳纤维板的两侧，这样设计，使得复合法兰同时具备石墨烯和碳纤维两种复合材料，显著提升复合法兰的物理和化学性能：

步骤四：将步骤三制得的表面涂抹有糊状物的多张碳纤维板叠放在一起，相邻两碳纤维板中间均匀布置有玻璃纤维网，然后压实形成石墨烯碳纤维生坯，玻璃纤维网进一步增强机械强度和耐热性，这样设计，即便后续锻造后，复合法兰的内部结构仍能保持原状，没有产生断层等缺陷：

步骤五：将步骤四制得的石墨烯碳纤维生坯放入炭化炉内进行炭化，炭化的温度为2500℃～3000℃，加压20MPa，炭化时间为30小时，制得石墨烯碳纤维块坯。为了使石墨烯碳纤维生坯炭化充分，炭化时间不应小于25小时。

步骤六：将步骤五制得的石墨烯碳纤维块坯锻造成石墨烯、氮化硼复合法兰。

作为可选的实施方式，步骤一中石墨烯粉、氮化硼粉、氧化石墨烯粉、钛粉的重量比为2.5：1：1：0.3，氧化石墨烯粉主要起改善石墨烯粉的韧性，因此不应过多，考虑到石墨烯粉和氮化硼粉本身机械强度较高，因此钛粉用量也不用太多，氮化硼粉在很大程度上是替代石墨烯粉，所起作用也跟石墨烯粉类似，但是添加氮化硼粉很大的提升了复合材料法兰的耐高温能力以及机械结构强度。

步骤二中粉末混合物、热固性树脂、固化剂的体积比为1:2:1.5，这样设计，粉末混合物、热固性树脂、固化剂才能充分混合形成糊状物。

步骤三中碳纤维板表面的糊状物的厚度为1-3mm，这样设计，保证糊状物的厚度不会太薄，继而影响石墨烯碳纤维生坯的物理性质，因为糊状物的厚度太薄意味着石墨烯碳纤维生坯内碳纤维占比大于石墨烯粉，这样制作的石墨烯碳纤维生坯质地较脆，韧性差，不容易进行锻造加工，因此糊状物的厚度不应小于1毫米。

步骤四中玻璃纤维网的玻璃纤维单丝直径为14μm且均匀分布，在相邻两碳纤维板间设置玻璃纤维网，将碳纤维板更好的复合，增加了复合材料的韧性，提升复合材料的结构强度。

步骤四中压实工具为冷等静压机，冷等静压机压制可防止石墨烯碳纤维生坯内产生气泡残留影响石墨烯碳纤维生坯的机械性能。

步骤四制得的石墨烯碳纤维生坯在进行炭化前需要先进行浸渍处理，即将石墨烯碳纤维生坯放入浸渍液中浸泡一段时间，这样设计，主要是为了进一步促进石墨烯碳纤维生坯内粉末混合物、热固性树脂、固化剂的结合，减小空隙，继而进一步提升石墨烯碳纤维生坯的机械性能。

浸渍液为含铜离子、银离子、铝离子中的一种或多种的饱和溶液，饱和溶液便于铜离子、银离子、铝离子进入填充吸附在空隙表面。

步骤六锻造完毕后还需对石墨烯、氮化硼复合法兰进行渗碳处理，处理温度为2800～3000℃，处理时间为21～24小时，这样设计，主要是为了增强石墨烯、氮化硼复合法兰的表面强度和耐磨性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种氮化硼高温强化石墨烯复合法兰，其特征在于：制备该石墨烯、氮化硼复合法兰所采用的原料包括石墨烯粉、氮化硼粉、玻璃纤维网、氧化石墨烯粉、钛粉、碳纤维板、热固性树脂和固化剂。

2.一种如权利要求1所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰的锻造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将石墨烯粉、氮化硼粉、氧化石墨烯粉、钛粉按一定的重量比混合成粉末混合物；

步骤二：将步骤一制得的粉末混合物和热固性树脂、固化剂按一定的体积比混合，制成糊状物：

步骤三：将步骤二制得的糊状物均匀涂抹在碳纤维板的两侧：

步骤四：将步骤三制得的表面涂抹有糊状物的多张碳纤维板叠放在一起，相邻两碳纤维板中间均匀布置有玻璃纤维网，然后压实形成石墨烯碳纤维生坯：

步骤五：将步骤四制得的石墨烯碳纤维生坯放入炭化炉内进行炭化，炭化的温度为2500℃～3000℃，加压20MPa，炭化时间为30小时，制得石墨烯碳纤维块坯：

步骤六：将步骤五制得的石墨烯碳纤维块坯锻造成石墨烯、氮化硼复合法兰。

3.根据权利要求2所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰锻造方法，其特征在于：步骤一中石墨烯粉、氮化硼粉、氧化石墨烯粉、钛粉的重量比为2.5:1:1:0.3。

4.根据权利要求2所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰锻造方法，其特征在于：步骤二中粉末混合物、热固性树脂、固化剂的体积比为1:2:1.5。

5.根据权利要求2所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰锻造方法，其特征在于：步骤三中碳纤维板表面的糊状物的厚度为1-3mm。

6.根据权利要求2所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰锻造方法，其特征在于：步骤四中所述玻璃纤维网的玻璃纤维单丝直径为14μm且均匀分布。

7.根据权利要求2所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰锻造方法，其特征在于：步骤四中压实工具为冷等静压机。

8.根据权利要求2所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰锻造方法，其特征在于：步骤四制得的石墨烯碳纤维生坯在进行炭化前需要先进行浸渍处理，即将石墨烯碳纤维生坯放入浸渍液中浸泡一段时间。

9.根据权利要求8所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰锻造方法，其特征在于：所述浸渍液为含铜离子、银离子、铝离子中的一种或多种的饱和溶液。

10.根据权利要求2所述的氮化硼高温强化石墨烯复合法兰锻造方法，其特征在于：步骤六锻造完毕后还需对石墨烯、氮化硼复合法兰进行渗碳处理，处理温度为2800～3000℃，处理时间为21～24小时。