CN114702316B - 一种低成本高纯石墨材料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本高纯石墨材料的制备方法及应用，该制备方法包括对石墨废粉进行预处理以得到D50≤10μm的石墨粉体；将石墨粉体、炭/碳粉和沥青制得活性粉体A；再将生焦和沥青制得活性粉体B；将活性粉体A、活性粉体B和高温沥青混合制得压粉；通过预模压‑梯度等静压成型工艺得到生坯块体；生坯块体在800~1200℃焙烧2~4 h，降温至200~300℃后，自然冷却至室温，得到焙烧块体；将焙烧块体置于真空石墨化炉中气氛保护，于2500~2800℃处理2 h后，降温至200~300℃后，自然冷却至室温，即得到高纯石墨材料。该制备方法因采用石墨废粉为骨料，能有效降低原料成本和提升高纯石墨废粉的附加值，且不需浸渍和多次焙烧，制备工艺简单，能有效缩短生产周期，降低生产成本。

Description

一种低成本高纯石墨材料的制备方法及应用
技术领域
本发明属于炭石墨材料技术领域，特别涉及一种低成本高纯石墨材料的制备方法及应用。
背景技术
炭石墨因其具有质轻、高温自润滑、化学性能稳定和膨胀系数低等一系列优异性能而被广泛用于航空航天、高铁、汽车、光伏、核电以及通讯等核心领域。现有炭石墨材料通常是以煤沥青、煤焦油等为粘结剂，生焦粉、煅后焦、延迟焦、炭黑和石墨粉等为骨料，经过混捏、轧片、破碎、磨粉、压制、焙烧、浸渍、多次焙烧-浸渍-再焙烧增密和石墨化提纯处理后制备得到。多次浸渍-焙烧导致设备投入大、能耗高，且生产周期长，生产成本高。
随光伏工艺技术的不断进步和成本改善，光伏发电在全球已成为清洁、低碳、同时具备价格优势的能源形式，全球市场增量巨大，同时将带动产业链上游多晶硅料加速发展。多晶硅料是由金刚石晶格形态排列成晶面取向不同的晶粒结晶形成，是制备单晶硅的主要原料。多晶硅料是以二氧化硅为原料，多通过TSC西门子还原炉和氢气炉制备得到。TSC西门子还原炉和氢气炉热场中大量使用到高纯等静压石墨制件，诸如：石墨加热器、侧板、底板、电极、支撑杆、石墨卡瓣、石墨喷嘴、石墨底座用加热器、气体分布器、石墨夹具、保温筒、坩埚、加热器、保温筒、导流筒等，主要归因于高纯等静压石墨具有优异的导电性能、导热性能、耐化学腐蚀性能、热膨胀系数小、焦耳热场均匀等特点。
我国作为全球光伏产品生产大国，对光伏行业所涉及的单晶硅和多晶硅生产用高纯等静压石墨需求量巨大。然而，在石墨材料加工过程中，高纯等静压石墨、细结构石墨和热解石墨制件在铣削加工过程中会产生30~50 %的高纯石墨废粉。目前，这些石墨废粉多用做碳刷添加料、高温碳砖原料、阳极糊的原料和低品位锂电负极原材料等，使得高纯石墨废粉的附加值极低。
因此，如何提升石墨废粉的附加值，简化炭石墨材料的生产工艺，降低生产成本是本领域技术人员的研究重点。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种低成本高纯石墨材料的制备方法及应用，该制备方法采用石墨废粉为骨料，能有效降低原料成本和提升石墨废粉的附加值，且无需浸渍和多次焙烧，其制备工艺简单，能有效缩短生产周期，降低生产成本。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种低成本高纯石墨材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：对石墨废粉进行预处理以得到D50≤10 μm的石墨粉体，其中石墨废粉为等静压石墨、热解石墨和细结构石墨边角料和铣削粉；
S2：准确称量S1得到的石墨粉体60~70份，沥青30~40份，炭/碳粉5~10份，待用；其中炭/碳粉为N330炭黑、N234炭黑、N339炭黑、螺旋纳米碳粉和纳米碳球中的一种或两种；
S3：将S2中的石墨粉体和炭/碳粉混合均匀后投入混捏锅中，脱除水分后升温至155~185 ℃，再将S2中的沥青熔化后加入混捏锅中进行强制混捏，混捏结束后，经轧片、破碎磨粉、压制成型，然后加压焦化处理，再经破碎磨粉、过筛得到活性粉体A；
S4：准确称量沥青20~30份，焦炭60~70份，待用；其中焦炭为煅后沥青焦、石油焦、针状焦中的一种或多种；
S5：将S4中的焦炭投入混捏锅，脱除水分后升温至155~185 ℃，再将S4中的沥青熔化后加入混捏锅进行混捏，混捏结束后，经轧片、破碎磨粉、压制成型，然后加压焦化处理，再经破碎磨粉、过筛得到活性粉体B；
S6：准确称量高温沥青20~30份，S3制备的活性粉体A 60~70 份，S5制备的活性粉体B 15~30 份，交联剂0.5~2份，待用；
S7：将S6的活性粉体A和活性粉体B投入到混捏锅中，脱除水分后升温至240~300℃，再将交联剂和S6中的高温沥青熔化后加入混捏锅中混捏，混捏后经轧片、破碎磨粉后得到压粉；
S8：将S7得到的压粉压制成密度为1.0~1.4 g/cm3的块体，再真空封装袋中搁置一段时间后置于冷静压设备中进行两次冷等静压压制得到密度为1.63~1.68 g/cm3的生坯块体；
S9：将生坯块体置于不锈钢坩埚中，生坯块体六个面被埋烧料填埋，埋烧料表面铺撒部分炭黑粉体后，放置于焙烧炉中，施加压力，加压焙烧过程中通入氮气或氩气，于800~1200 ℃焙烧2~4 h，程序控制降温至200~300℃后，自然冷却至室温，得到密度为1.65~1.72g/cm3的焙烧块体；
S10：将焙烧块体置于真空石墨化炉中气氛保护，于2500~2800 ℃处理2~6 h后，程序控制降温至200~300 ℃后，自然冷却至室温，即得到高纯石墨材料。
进一步地，S1中先采用磁选设备排除石墨废粉中的金属杂质，然后采用3R雷蒙磨粉机对石墨废粉进行初磨，再采用气流磨粉机进行细磨，即得到D50≤10 μm的石墨粉体。
进一步地，S2和S4中的沥青均为低温沥青、改质沥青、中温沥青和高温沥青中的一种或两种，
进一步地，S3的具体步骤为：
S3.1：将石墨粉体和炭/碳粉混合均匀后投入混捏锅中，于110~120 ℃中混合1~2h，脱除水分，混捏锅转速为10~50r/min，正转；
S3.2：水分脱除结束后，升温至155~ 185 ℃，将S中的沥青熔化后加入混捏锅中混捏1~2 h得到糊料，混捏锅转速为10~50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合；
S3.3：混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片2~3次，轧片厚度1~2mm，轧片温度与混捏温度对应，转速10~30 r/min；
S3.4：轧片结束冷却至室温后，搁置2~10 h后进行破碎磨粉，过100~320目筛后，搁置2~10 h，制得压粉；
S3.5：通过模压成型工艺，将制得压粉于10~30 MPa下压制成型，并搁置2~10 h后，置于气氛电阻炉中，通过程序控温，于300~600 ℃加压焦化处理2~6 h后，随炉冷却至室温后，将焦化块体破碎磨粉，过100~200目筛后，制备得到活性粉体A。
进一步地，S5的具体步骤为：
S5.1：将焦炭投入混捏锅中，于110~120 ℃中混合1~2 h，脱除水分，混捏锅转速为10~50 r/min，正转；
S5.2：水分脱除结束后，升温至155~ 185 ℃，将S4中的沥青熔化后加入混捏锅中混捏1~2 h得到糊料，混捏锅转速为10~50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合；
S5.3：混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片2~3次，轧片厚度1~2mm，轧片温度与混捏温度对应，转速10~30 r/min；
S5.4：轧片结束冷却至室温后，搁置2~10 h后进行破碎磨粉，过100~320目筛后，搁置2~10 h，制得压粉；
S5.5：通过模压成型工艺，将制得压粉于10~30 MPa下压制成型，并搁置2~10 h后，置于气氛电阻炉中，通过程序控温，于300~600 ℃加压焦化处理2~6 h后，随炉冷却至室温后，将焦化块体破碎磨粉，过100~200目筛后，制备得到活性粉体B。
进一步地，所述交联剂为聚硫醇，AlCl3，硫磺，二硫代氨基，苯并噻唑硫醇，二硫代秋兰母和正十五烷基硫醇中的一种或多种。
进一步地，S7的具体步骤为：
S7.1：将活性粉体A和活性粉体B投入混捏锅中，于110~120 ℃中混合1~2 h，脱除水分，混捏锅转速为10~50 r/min，正转；
S7.2：水分脱除结束后，升温至240~300 ℃，再将交联剂和S6中的高温沥青熔化后加入混捏锅中混捏，混捏1~2 h，混捏锅转速为10~50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合；
S7.3：混捏结束后，迅速转移至轧片机物料料斗，轧片1~2次，轧片厚度1~4 mm，轧片温度对应混捏温度，转速10~30 r/min，轧片结束后进行程序控温凉料，冷却至室温后，搁置2~10 h后进行破碎磨粉，过100~320目筛后，搁置2~10 h，制得压粉。
进一步地，S8的具体步骤为：
S8.1：将S7得到的压粉于1~5 MPa下压制成密度1.0~1.4 g/cm3的块体，将块体真空封装袋中，搁置2~10 h；
S8.2：置于冷等静压设备中，于50~100 MPa压制5~30min后，梯度泄压；
S8.3：泄压完成后搁置1~10 h，再于150~200 MPa压制5~30min后，梯度泄压，取出后剥离封装袋，搁置2~10h后，得到密度为1.63~1.68 g/cm3的生坯块体；
一种低成本高纯石墨材料的应用，前面所述的制备方法制备得到高纯石墨材料在生产多晶硅还原炉的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明以价格低廉的石墨废粉为主要骨料来制备高纯石墨材料，降低了制备高纯石墨材料的原料成本，同时提高了石墨废粉的附加值，且制备得到的高纯石墨材料的抗折强度和抗压强度优异，满足高纯石墨材料的性能指标。
2、本发明将炭/碳粉、沥青、石墨粉体、交联剂和沥青稳定剂一起进行混捏、轧片、低温加压焦化，促使沥青能浸渗和包覆骨料，低温焦化后在骨料表面和孔隙中形成具有活性和自烧结作用的焦化层；焦化层能促进坯体在焙烧过程中实现“原位碳化”，促进体积收缩，使得骨料和骨料相之间通过活性焦化层相互“焊接”在一起，从而使得到的高纯石墨材料无大孔出现，结构致密，成品率高，颗粒间的平均孔径小于2μm，且无贯穿孔出现。
3、本发明所制备的高纯石墨材料不需浸渍和多次焙烧，压制成型后，一次焙烧结束后可直接进行石墨化，简化了工艺流程，缩短了生产周期，大大节约了人力成本、能源成本、时间成本、设备投入与维护成本以及对环境的污染治理成本。
附图说明
图1-实施例1中混捏糊料、轧片和石墨块体的宏观形貌图。
图2-实施例1高纯石墨材料的抗折强度和抗压强度的测试结果图以及对应的断面微观形貌图。
图3-实施例2高纯石墨材料的抗折强度和抗压强度的测试结果图以及对应的断面微观形貌图。
图4-实施例3高纯石墨材料的抗折强度和抗压强度的测试结果图以及对应的断面微观形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
1）从石墨加工厂家低价购得等静压石墨铣削废粉和边角料，通过磁选设备排除粉体引入的金属杂质，通过3R雷蒙磨粉机对铣削石墨废粉进行初磨，然后采用气流磨粉机制备得到D50≤10 μm的石墨粉体，待用。
2）准确称量沥青32份（软化点109 ℃改质沥青17份，软化点110 ℃中温沥青15份），步骤1）得到的石墨粉体62份，炭黑粉5份（N330炭黑2份、N234炭黑3份）。
3）将石墨粉体和炭黑粉混合均匀后，投入到混捏锅中，于120 ℃中混合1 h，脱除水分，混捏锅转速为20 r/min，正转；水分脱除结束后，将粉料升温至180 ℃，引入对应温度熔化的沥青混捏1 h，混捏锅转速为50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合。混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片3次，轧片厚度1.3 mm，轧片温度与混捏温度对应，转速10 r/min，轧片结束后进行凉料，待物料温度降低至室温后，搁置10 h后进行破碎磨粉，过200目筛后，搁置10 h，制得压粉。通过模压成型工艺，将制得压粉于10 MPa下压制成型，并搁置10 h后，置于气氛电阻炉中，通过程序控温，于500 ℃加压焦化处理6 h后，随炉冷却至室温后，将焦化块体破碎磨粉，过200目筛后，制备得到活性粉体A。
4）准确称量沥青30份（低温沥青20份、中温沥青10份），焦炭70份（低温煅后沥青焦58份、低温煅后针状焦12份）。按步骤3），制备得到活性粉体B。
5）准确称量高温沥青20份，步骤3）制备的活性A粉体60份，步骤4）制备的活性B粉体18份，聚硫醇1份。
6）将活性A粉体和B粉体投入到混捏锅中，于120 ℃中混合1 h，脱除水分，混捏锅转速为10 r/min，正转；水分脱除结束后，将粉料升温至240 ℃，引入对应温度熔化的高温沥青（软化点170 ℃），交联剂，混捏1 h，混捏锅转速为50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合。混捏结束后，将糊料（如图1（a）所示）迅速转移至轧片机物料料斗，轧片2次，轧片厚度1.4 mm（如图1（b）所示），轧片温度对应混捏温度，转速20 r/min，轧片结束后进行程序控温凉料，待物料温度降低至室温后，搁置10 h后进行破碎磨粉，过320目筛后，搁置10 h，制得压粉。
7）将步骤6）制得的压粉于3 MPa下压制成密度1.3 g/cm3的块体，真空封装袋，搁置2~10 h后；置于冷等静压设备中，于50 MPa压制10 min后，梯度泄压；间隔10 h后，于200MPa等静压压制10 min后，梯度泄压，取出试样，剥离封装袋，搁置10 h后，即可得到密度为1.66g/cm3的生坯块体。
8）将步骤7）制备得到生坯块体置于不锈钢坩埚中，生坯块体六个面被埋烧料填埋后，放置于加压焙烧炉中，焙烧过程中通氮气/氩气，于1100 ℃焙烧4 h，程序控制降温至200℃后，自然冷却至室温，得到可得到密度为1.68 g/cm3的焙烧块体。将焙烧块体置于真空石墨化炉中气氛保护，于2500 ℃处理2 h后，程序控制降温至300℃后，自然冷却至室温，得到密度为1.81 g/cm3的石墨化块体，即高纯石墨材料（如图1（C）所示）。
本实施例制备得到的石墨化材料的抗折强度和抗压强度的测试结果分别如图2（a）和图2（c）所示，抗折强度和抗压强度的断面微观形貌图分别如图2（b）和图2（d）所示。由图2（a）和2（c）可知，石墨材料抗折强度和抗压强度分别为58.62 MPa和125.44 MPa，相较于传统工艺制备的石墨材料性能提升较大。由相应的微观形貌图可知，骨料与骨料间相互“焊接”在一起，无大孔出现，结构致密，颗粒间的平均孔径小于2 μm，无贯穿孔出现，所以制得石墨材料展现优异的抗折抗压强度。
实施例2：
1）从石墨加工厂家低价购得等静压石墨铣削废粉和边角料，通过磁选设备排除粉体引入的金属杂质，通过3R雷蒙磨粉机对铣削石墨废粉进行初磨，然后采用气流磨粉机制备得到D50≤10 μm的石墨粉体，待用。
2）准确称量沥青35份（软化点109 ℃改质沥青20份、软化点110 ℃中温沥青15份），步骤1）得到的石墨粉体65份，炭黑粉8份（N330炭黑5份、N339炭黑3份）。
3）将石墨粉体和碳粉混合均匀后，投入到混捏锅中，于120 ℃中混合1 h，脱除水分，混捏锅转速为20 r/min，正转；水分脱除结束后，将粉料升温至180 ℃，引入对应温度（沥青软化点高70~80 ℃）融化的沥青混捏1 h，混捏锅转速为50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合。混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片3次，轧片厚度1.3 mm，轧片温度与混捏温度对应，转速10 r/min，轧片结束后进行凉料，待物料温度降低至室温后，搁置10 h后进行破碎磨粉，过200目筛后，搁置10 h，制得压粉。通过模压成型工艺，将制得压粉于10 MPa下压制成型，并搁置10 h后，置于气氛电阻炉中，通过程序控温，于500 ℃加压焦化处理6 h后，随炉冷却至室温后，将焦化块体破碎磨粉，过200目筛后，制备得到活性粉体A。
4）准确称量沥青27份（低温沥青10份、中温沥青17份），焦炭65份（煅后沥青焦60份、针状焦5份）。按步骤3），制备得到活性粉体B。
5）准确称量高温沥青30份，步骤3）制备的活性A粉体70 份，步骤4）制备的活性B粉体20份，二硫代秋兰姆0.5份。
6）将活性A粉体和B粉体投入到混捏锅中，于120 ℃中混合1 h，脱除水分，混捏锅转速为10 r/min，正转；水分脱除结束后，将粉料升温至240 ℃，引入对应温度熔化的高温沥青（软化点170 ℃），交联剂，混捏1 h，混捏锅转速为50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合。混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片2次，轧片厚度1.4mm，轧片温度对应混捏温度，转速20 r/min，轧片结束后进行程序控温凉料，待物料温度降低至室温后，搁置10 h后进行破碎磨粉，过320目筛后，搁置10 h，制得压粉。
7）将步骤6）制得的压粉于3 MPa下压制成密度1.29 g/cm3的块体，真空封装袋，搁置2~10 h后；置于冷等静压设备中，于50 MPa压制10 min后，梯度泄压；间隔10 h后，于200MPa等静压压制10 min后，梯度泄压，取出试样，剥离封装袋，搁置10 h后，即可得到密度为1.66g/cm3的生坯块体。
8）将步骤7）制备得到生坯块体置于不锈钢坩埚中，生坯块体六个面被埋烧料填埋后，放置于加压焙烧炉中，焙烧过程中通氮气/氩气，于1100 ℃焙烧4 h，程序控制降温至200℃后，自然冷却至室温，得到可得到密度为1.69 g/cm3的焙烧块体。将焙烧块体置于真空石墨化炉中气氛保护，于2700 ℃处理2 h后，程序控制降温至300℃后，自然冷却至室温，得到密度为1.82 g/cm3的石墨化块体，即高纯石墨材料。
本实施例制备得到的石墨化材料的抗折强度和抗压强度的测试结果分别如图3（a）和图3（c）所示，抗折强度和抗压强度的断面微观形貌图分别如图3（b）和图3（d）所示。由图3（a）和3（c）可知，石墨材料抗折强度和抗压强度分别为58.42 MPa和126.94 MPa，相较于传统工艺制备的石墨材料性能提升较大。由相应的微观形貌图可知，骨料与骨料间相互“焊接”在一起，无大孔出现，结构致密，颗粒间的平均孔径小于2 μm，无贯穿孔出现，所以制得石墨材料展现优异的抗折抗压强度。
实施例3：
1）从石墨加工厂家低价购得等静压高纯石墨铣削废粉，通过磁选设备排除粉体引入的金属杂质，通过3R雷蒙磨粉机对铣削石墨废粉进行初磨，然后采用气流磨粉机制备得到D50≤10 μm的石墨粉体，待用。
2）准确称量沥青40份（软化点109 ℃改质沥青28份、软化点110 ℃中温沥青12份），步骤1）得到的石墨粉体70份，炭/碳粉10份（N330炭黑6份、纳米碳球4份）。
3）将石墨粉体和碳粉混合均匀后，投入到混捏锅中，于120 ℃中混合1 h，脱除水分，混捏锅转速为20 r/min，正转；水分脱除结束后，将粉料升温至180 ℃，引入对应温度（沥青软化点高70~80 ℃）融化的沥青混捏1 h，混捏锅转速为50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合。混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片3次，轧片厚度1.3 mm，轧片温度与混捏温度对应，转速10 r/min，轧片结束后进行凉料，待物料温度降低至室温后，搁置10 h后进行破碎磨粉，过200目筛后，搁置10 h，制得压粉。通过模压成型工艺，将制得压粉于10 MPa下压制成型，并搁置10 h后，置于气氛电阻炉中，通过程序控温，于500 ℃加压焦化处理6 h后，随炉冷却至室温后，将焦化块体破碎磨粉，过200目筛后，制备得到活性粉体A。
4）准确称量沥青23份（低温沥青8份、中温沥青15份），焦炭60份（低温煅后沥青焦58份、低温煅后针状焦10份）。按步骤3），制备得到活性粉体B。
5）准确称量高温沥青28份，步骤3）制备的活性A粉体58 份，步骤4）制备的活性B粉体28份，正十五烷基硫醇 2份。
6）将活性A粉体和B粉体投入到混捏锅中，于120 ℃中混合1 h，脱除水分，混捏锅转速为10 r/min，正转；水分脱除结束后，将粉料升温至240 ℃，引入对应温度熔化的高温沥青（软化点170 ℃），交联剂，混捏1 h，混捏锅转速为50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合。混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片2次，轧片厚度1.4mm，轧片温度对应混捏温度，转速20 r/min，轧片结束后进行程序控温凉料，待物料温度降低至室温后，搁置10 h后进行破碎磨粉，过320目筛后，搁置10 h，制得压粉。
7）将步骤6）制得的压粉于3 MPa下压制成密度1.25 g/cm3的块体，真空封装袋，搁置2~10 h后；置于冷等静压设备中，于50 MPa压制10 min后，梯度泄压；间隔10 h后，于200MPa等静压压制10 min后，梯度泄压，取出试样，剥离封装袋，搁置10 h后，即可得到密度为1.65g/cm3的生坯块体。
8）将步骤7）制备得到生坯块体置于不锈钢坩埚中，生坯块体六个面被埋烧料填埋后，放置于加压焙烧炉中，焙烧过程中通氮气/氩气，于1100 ℃焙烧4 h，程序控制降温至200℃后，自然冷却至室温，得到可得到密度为1.67 g/cm3的焙烧块体。将焙烧块体置于真空石墨化炉中气氛保护，于2800 ℃处理2 h后，程序控制降温至300℃后，自然冷却至室温，得到密度为1.81 g/cm3的石墨化块体，即高纯石墨材料。
本实施例制备得到的石墨化材料的抗折强度和抗压强度的测试结果分别如图4（a）和图4（c）所示，抗折强度和抗压强度的断面微观形貌图分别如图4（b）和图4（d）所示。由图4（a）和4（c）可知，石墨材料抗折强度和抗压强度分别为55.66 MPa和122.34 MPa，相较于传统工艺制备的石墨材料性能提升较大。由相应的微观形貌图可知，骨料与骨料间相互“焊接”在一起，无大孔出现，结构致密，颗粒间的平均孔径小于2 μm，无贯穿孔出现，所以制得石墨材料展现优异的抗折抗压强度。
高纯石墨材料需满足以下性能指标：抗折强度 ≥ 40 MPa、抗压强度 ≥ 80 MPa、肖氏硬度≥55 HS、体积密度 ≥ 1.8 g/cm3、电阻率 ≤ 13 μΩ·m、灰份 ≤ 30 ppm；经过测试，实施例1~实施例3得到的石墨材料的基础性能参数见下表：
Figure SMS_1
由此可见，本实施制备得到的石墨材料满足高纯石墨材料的性能要求。
最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种低成本高纯石墨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对石墨废粉进行预处理以得到D50≤10 μm的石墨粉体，其中石墨废粉为等静压石墨、热解石墨和细结构石墨边角料和铣削粉；
S2：准确称量S1得到的石墨粉体60~70份，沥青30~40份，炭/碳粉5~10份，待用；其中炭/碳粉为N330炭黑、N234炭黑、N339炭黑、螺旋纳米碳粉和纳米碳球中的一种或两种；
S3：将S2中的石墨粉体和炭/碳粉混合均匀后投入混捏锅中，脱除水分后升温至155~185 ℃，再将S2中的沥青熔化后加入混捏锅中进行强制混捏，混捏结束后，经轧片、破碎磨粉、压制成型，然后加压焦化处理，再经破碎磨粉、过筛得到活性粉体A；
S4：准确称量沥青20~30份，焦炭60~70份，待用；其中焦炭为煅后沥青焦、石油焦、针状焦中的一种或多种；
S5：将S4中的焦炭投入混捏锅，脱除水分后升温至155~185 ℃，再将S4中的沥青熔化后加入混捏锅进行混捏，混捏结束后，经轧片、破碎磨粉、压制成型，然后加压焦化处理，再经破碎磨粉、过筛得到活性粉体B；
S6：准确称量高温沥青20~30份，S3制备的活性粉体A 60~70 份，S5制备的活性粉体B15~30 份，交联剂0.5~2份，待用；
S7：将S6的活性粉体A和活性粉体B投入到混捏锅中，脱除水分后升温至240~300 ℃，再将交联剂和S6中的高温沥青熔化后加入混捏锅中混捏，混捏后经轧片、破碎磨粉后得到压粉；
S8：将S7得到的压粉压制成密度为1.0~1.4 g/cm3的块体，再真空封装袋中搁置一段时间后置于冷静压设备中进行两次冷等静压压制得到密度为1.63~1.68 g/cm3的生坯块体；
S9：将生坯块体置于不锈钢坩埚中，生坯块体六个面被埋烧料填埋，埋烧料表面铺撒部分炭黑粉体后，放置于焙烧炉中，施加压力，加压焙烧过程中通入氮气或氩气，于800~1200℃焙烧2~4 h，程序控制降温至200~300 ℃后，自然冷却至室温，得到密度为1.65~1.72 g/cm3的焙烧块体；
S10：将焙烧块体置于真空石墨化炉中气氛保护，于2500~2800 ℃处理2~6 h后，程序控制降温至200~300 ℃后，自然冷却至室温，即得到高纯石墨材料。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高纯石墨材料的制备方法，其特征在于，S1中先采用磁选设备排除石墨废粉中的金属杂质，然后采用3R雷蒙磨粉机对石墨废粉进行初磨，再采用气流磨粉机进行细磨，即得到D50≤10 μm的石墨粉体。
3.根据权利要求1所述的一种低成本高纯石墨材料的制备方法，其特征在于，S2和S4中的沥青均为低温沥青、改质沥青、中温沥青和高温沥青中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的一种低成本高纯石墨材料的制备方法，其特征在于，S3的具体步骤为：
S3.1：将石墨粉体和炭/碳粉混合均匀后投入混捏锅中，于110~120 ℃中混合1~2 h，脱除水分，混捏锅转速为10~50 r/min，正转；
S3.2：水分脱除结束后，升温至155~ 185 ℃，将S中的沥青熔化后加入混捏锅中混捏1~2 h得到糊料，混捏锅转速为10~50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合；
S3.3：混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片2~3次，轧片厚度1~2 mm，轧片温度与混捏温度对应，转速10~30 r/min；
S3.4：轧片结束冷却至室温后，搁置2~10 h后进行破碎磨粉，过100~320目筛后，搁置2~10 h，制得压粉；
S3.5：通过模压成型工艺，将制得压粉于10~30 MPa下压制成型，并搁置2~10 h后，置于气氛电阻炉中，通过程序控温，于300~600 ℃加压焦化处理2~6 h后，随炉冷却至室温后，将焦化块体破碎磨粉，过100~200目筛后，制备得到活性粉体A。
5.根据权利要求1所述的一种低成本高纯石墨材料的制备方法，其特征在于，S5的具体步骤为：
S5.1：将焦炭投入混捏锅中，于110~120 ℃中混合1~2 h，脱除水分，混捏锅转速为10~50 r/min，正转；
S5.2：水分脱除结束后，升温至155~ 185 ℃，将S4中的沥青熔化后加入混捏锅中混捏1~2 h得到糊料，混捏锅转速为10~50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合；
S5.3：混捏结束后，将糊料迅速转移至轧片机物料料斗，轧片2~3次，轧片厚度1~2 mm，轧片温度与混捏温度对应，转速10~30 r/min；
S5.4：轧片结束冷却至室温后，搁置2~10 h后进行破碎磨粉，过100~320目筛后，搁置2~10 h，制得压粉；
S5.5：通过模压成型工艺，将制得压粉于10~30 MPa下压制成型，并搁置2~10 h后，置于气氛电阻炉中，通过程序控温，于300~600 ℃加压焦化处理2~6 h后，随炉冷却至室温后，将焦化块体破碎磨粉，过100~200目筛后，制备得到活性粉体B。
6.根据权利要求1所述的一种低成本高纯石墨材料的制备方法，其特征在于，所述交联剂为聚硫醇，AlCl3，硫磺，二硫代氨基，苯并噻唑硫醇，二硫代秋兰母和正十五烷基硫醇中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种低成本高纯石墨材料的制备方法，其特征在于，S7的具体步骤为：
S7.1：将活性粉体A和活性粉体B投入混捏锅中，于110~120 ℃中混合1~2 h，脱除水分，混捏锅转速为10~50 r/min，正转；
S7.2：水分脱除结束后，升温至240~300 ℃，再将交联剂和S6中的高温沥青熔化后加入混捏锅中混捏，混捏1~2 h，混捏锅转速为10~50 r/min，正转和反转交替进行，间歇性开闭盖混合；
S7.3：混捏结束后，迅速转移至轧片机物料料斗，轧片1~2次，轧片厚度1~4 mm，轧片温度对应混捏温度，转速10~30 r/min，轧片结束后进行程序控温凉料，冷却至室温后，搁置2~10 h后进行破碎磨粉，过100~320目筛后，搁置2~10 h，制得压粉。
8.根据权利要求1所述的一种低成本高纯石墨材料的制备方法，其特征在于，S8的具体步骤为：
S8.1：将S7得到的压粉于1~5 MPa下压制成密度1.0~1.4 g/cm3的块体，将块体真空封装袋中，搁置2~10 h；
S8.2：置于冷等静压设备中，于50~100 MPa压制5~30min后，梯度泄压；
S8.3：泄压完成后搁置1~10 h，再于150~200 MPa压制5~30min后，梯度泄压，取出后剥离封装袋，搁置2~10 h后，得到密度为1.63~1.68 g/cm3的生坯块体。
9.一种低成本高纯石墨材料的应用，其特征在于，权利要求1~8任一所述的制备方法制备得到高纯石墨材料在生产多晶硅还原炉的应用。
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