CN117447204A - 一种机械用碳材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及密封材料技术领域，公开了一种机械用碳材料的制备方法，它是通过适宜的热处理过程控制碳材料的叠层规则，控制一定数量的C轴取向来调整碳材料的晶体化程度，使石墨微晶在无定形碳基体内部原位生成，提高石墨微晶与无定形碳基体的结合力，从而提高了机械用碳材料的抗折、抗压强度和动摩擦性能。通过本发明自烧结制备方法得到的机械用碳材料，颗粒度细、材料致密，气孔率在0.3～1%左右，气孔率低，体积密度在1.8～2.0g/cm3之间，抗折强度高、抗压强度大、耐高温烧蚀、摩擦系数低、成膜良好，具备优良的机械强度、导热性能、抗化学性能和动摩擦性能。

Description

一种机械用碳材料的制备方法
技术领域
本发明涉及高端装备用密封材料制备技术领域，具体涉及一种机械用碳材料的制备方法。
背景技术
碳石墨材料是机械密封行业适用范围最广的摩擦副组对材料，具有良好的自润滑性能，其作为一种关键战略材料，广泛应用于航空航天、智能制造、电子信息和冶金机械等领域。机械用碳材料是碳石墨材料中的一个系列，属于动摩擦结构材料，除了具有碳石墨材料的一般属性外，还应具有较高的机械性能和良好的动摩擦性能，动摩擦性能是机械用碳材料的重要属性。机械用碳材料是无定形碳与石墨微晶的结合体，无定形碳基体中弥散着石墨微晶，石墨微晶是由碳原子组成的六角形网状结构的多层迭合体，是机械用碳材料具有润滑性的决定条件，石墨微晶的含量直接影响材料的动摩擦性能。
目前，机械用碳材料的传统制备方法是将无定形碳、石墨与粘结剂混合压制成型后再进行1100～1300℃的高温烧结，得到的碳材料气孔率大，碳桥结构薄弱，机械性能相对较低，使用前必须要浸渍增强，浸渍后的材料因为浸渍原因会带入大量的其他物质。使用过程中，在密闭环境中浸渍物带入的物质容易与介质中的某些物质形成原电池，从而形成疱疤现象，使密封失效。
并且传统制备方法中，碳材料中的石墨微晶由石墨粉（土状石墨或鳞片石墨）烧结得到，这种石墨粉一般为片状结构，会分割无定形碳基体，成型、烧结阶段加大开裂率，降低碳材料的结构强度，使动摩擦材料的成膜性不稳定，影响动摩擦性能。
现有碳石墨材料的制备方法也有以中间相碳微球或生焦为主要原料的自烧结工艺，比如专利CN113387701A公开的一种溶剂预处理生焦粉制备高性能炭石墨材料的方法，相较机械用碳材料的传统制备方法，自烧结工艺可省去反复浸渍和焙烧工艺，避免了浸渍产生的疱疤现象带来的密封失效问题。但在自烧结的焙烧过程中，由于生焦以自身携带的挥发份作为粘结剂，中间相碳微球以β树脂作为粘结剂，挥发份小分子物质的无规则逸出易导致材料内部气孔和随机裂纹不可控，中间相碳微球的β树脂含量低难以一步压制成型为生坯，生坯坯体的致密性低，影响生坯烧成性，从而严重限制了自烧结工艺的广泛应用。
针对碳石墨材料内部气孔和随机裂纹不可控的问题，专利CN113387701A通过有机溶剂脱除生焦粉中紫罗兰酮、石蜡烃、环烷烃和杂环化合物等低分子量有机物，避免该类有机物在烧结受热挥发在炭石墨材料内部留下孔洞，减少炭石墨材料出现裂纹，但是生焦粉中的小分子物质被脱除后，生焦粉的粘结性能降低，生坯模压成型率受到影响，从而影响到生坯的致密性和烧成性。并且该专利炭石墨材料是在1050℃的温度下烧结得到的，基本呈无定型碳结构，石墨化程度低，不具备机械用碳材料作为动摩擦材料的基本属性，动摩擦成膜性差，并不适宜用作机械用碳材料。
发明内容
有鉴于此，针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机械用碳材料的制备方法，该制备方法操作简单，适合工业化批量生产，通过本发明制备方法得到的机械用碳材料，具有较高的机械性能和良好的动摩擦性能，气孔率低，动摩擦系数低，成膜良好，特别适合核电、航空等高精密产品及其它高性能密封要求的机械使用。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种机械用碳材料的制备方法， 包括下述步骤：
步骤一、将碳原料粉末压制为生坯，所述碳原料粉末选自生焦粉或中间相碳微球；
步骤二、将生坯置于0.1-1MPa的压力下，加热至1600～2000℃进行烧结，得到烧结料，所述碳原料粉末在所述烧结料中形成无定型碳基体和原位石墨微晶；
步骤三、在0.1-1MPa的压力下，将烧结料降至室温制得所述机械用碳材料。
上述技术方案中，本发明根据碳材料的生长机理，选择不同的热处理温度，使碳原料先在1000～1200℃的烧结温度下完成炭化过程形成无定型碳的碳基体，随着烧结温度的不断升高，在1300～2000℃的烧结温度下，无定形碳基体内部的不规则键发生变化，同时无定形碳逐渐向石墨质结构转化，从而在无定形碳基体内部原位生成石墨微晶。原位生成的石墨微晶与无定形碳基体的结合力强，在1600～2000℃的烧结温度下生成的石墨微晶，其大小、分布均匀，利于动摩擦的成膜，因此本发明提供的机械用碳材料具备优异的机械强度和动摩擦性能（低的摩擦系数、低磨损量、低的摩擦温度），耐高温烧蚀，是一种理想的动摩擦机械用碳材料。
弥散在无定形碳基体中的石墨微晶，其含量随烧结温度的变化而变化，不同含量的石墨微晶具有不同的结构和性能特点，通过调整原位石墨微晶的含量，可生成一系列的、性能连续可调的、具有重要工业应用价值的机械用碳材料，应用时可根据不同的工况选择不同特点的机械用碳材料。本发明中原位石墨微晶的宽度L为5.5-10.2 nm，保证了碳材料的动摩擦成膜性，具有良好的动摩擦性能。
在碳原料的自烧结过程中，由于挥发份小分子物质的无规则逸出易导致材料内部气孔和随机裂纹不可控，本发明通过在0.1-1MPa的微高压条件下进行烧结，抑制了碳原子流动时的流动幅度以及后续挥发性气体的排出速度，避免了烧结料出现开裂现象，同时能提高烧结料的致密度，提高了烧结料的成品率。
进一步的，烧结所用碳原料的粒径大小和分布会影响到压制生坯的致密度，进而影响生坯的烧成性，生焦的挥发份含量会影响到材料的气孔率，优选的是，本发明所用碳原料粉末的粒径为3-30μm，具体的是，所述碳原料粉末选自生焦粉和中间相碳微球；所述生焦粉的粒径为3～30微米，挥发份含量为7%～15%；所述中间相碳微球的粒径组成为3～8微米占比75～80%，8～14微米占比10～15%，14～30微米占比5～10%。
经上述自烧结制备方法得到的机械用碳材料的颗粒粒径为3-30μm，其中3-10μm粒径的颗粒占比在80%以上，气孔率为0.3-0.9%，抗折强度为75～115MPa，抗压强度为165～280MPa，动摩擦系数在0.1以下，具有较高的机械性能和良好的动摩擦性能。
在本发明的一些实施方式中，上述步骤一中生坯的压制按照压制压力以10-20MPa/min的速率升至200-210MPa后，再以20-40MPa/min的速率降至常压进行，更为具体的是，压制压力先以15-20MPa/min的速率升至100-110MPa，稳压2-3min；再以10-15MPa/min的速率升至200-210MPa，稳压4-6min；然后以20-30MPa/min的速率降至各降压压力点，在各降压压力点处稳压2-3min，所述降压压力点包括150-160MPa、110-120MPa和70-80MPa；最后以30-40MPa/min的速率降至常压。
在上述生坯压制技术方案中，本发明通过调整生坯压制的压力和时间参数，得到特定的压制曲线，通过该压制曲线，粘结强度较弱的MCMB也可实现生坯的一步压制成型，且提高了生坯的致密性，减少了裂纹、孔洞等缺陷的产生，提高了生坯的模压成型性和烧成性。可以选择的是，生坯的压制优选冷等静压压制技术进行，冷等静压压制的生坯密度均匀一致，内应力小，坯体密度高，烧结时收缩小，烧结料密度高。
在本发明的一些实施方式中，上述步骤二中生坯的烧结具体为：将生坯先以0.4-1.8℃/min的速率加热至500～700℃，保温60-120min后，再以0.4-1.8℃/min的速率加热至1000～1200℃，然后以0.4-1.2℃/min的速率加热至1600～2000℃，生坯在1600～2000℃的烧结温度下保温2-3h，得到烧结料。更为具体的是，将生坯先以0.8-1.8℃/min的速率逐渐加速加热至300～400℃，然后以0.4-0.6℃/min的速率逐渐减速加热至500～700℃，保温60-120min后，再以0.4-1.8℃/min的速率逐渐加速加热至1000～1200℃，以0.4-1.2℃/min的速率逐渐减速加热至1500℃，再以0.8-0.9℃/min的速率加热至1600～2000℃。
在上述生坯烧结的技术方案中，本发明通过适宜的温升控制，确保材料内部在相应的温度段能达到理想的结构变化，通过不断的加速和减速交替升温，进一步保证了温度场的均匀性，避免烧结料出现开裂现象。同时碳原料在1000～1200℃左右的烧结温度下完成炭化过程形成无定形碳，本发明在烧结温度升温至500～700℃时，保温60-120分钟，可软化膨胀碳原料使其充分碳化，并可充分排出碳原料中的挥发份气体，减少碳化过程中气体的逸出，降低碳石墨材料的气孔率。
进一步的，上述步骤三中，烧结料在0.1-1MPa的压力条件下，梯度降温至室温。其温度变化规律具体为：先以1.2-2℃/min的降温速率降温至300-400℃，再以0.8-0.9℃/min的降温速率降温至120-150℃，最后自然冷却至室温。烧结料通过在微压条件下进行梯度降温，避免了温度的快速变化造成烧结料出现开裂、分层等现象。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过适宜的热处理过程控制碳材料的叠层规则，使石墨微晶在无定形碳基体内部原位生成，原位石墨微晶的生成提高了石墨微晶与无定形碳基体的结合力，从而提高了机械用碳材料的抗折、抗压强度；通过1600-2000℃的烧结温度，控制一定数量的C轴取向，从而来调整碳材料的晶体化程度，既保证碳材料动摩擦成膜性，也能保证机械用碳材料所需的机械强度；通过制定特殊的压制曲线，提高了生坯的致密性，减少了裂纹、孔洞等缺陷的产生，提高了生坯的模压成型性和烧成性；通过在0.1-1MPa的微高压条件下进行烧结同时结合适宜的温升和温降控制，使其碳化充分，并可充分排出生焦中的挥发份气体，减少碳化过程中气体的逸出，降低碳石墨材料的气孔率；同时保证了烧结温度场的均匀性，避免了烧结料受热收缩不均导致烧结料内应力不均匀的现象，避免了烧结料出现开裂现象，提高了烧结料的成品率。
本发明提供的机械用碳材料的颗粒度细、材料致密，气孔率在0.3～1%左右，气孔率低，体积密度在1.8～2.0g/cm3之间，抗折强度高、抗压强度大、耐高温烧蚀、摩擦系数低、成膜良好，具备优良的机械强度、导热性能、抗化学性能和动摩擦性能。
附图说明
图1为实施例1制备得到的碳石墨材料的SEM图；
图2为实施例2制备得到的碳石墨材料的SEM图；
图3为实施例3制备得到的碳石墨材料的SEM图；
图4为实施例1制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）；
图5为实施例2制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）；
图6为实施例3制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）；
图7为实施例4制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）；
图8为实施例5制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）；
图9为对比例1制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）；
图10为对比例2制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）；
图11为对比例3制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）；
图12为对比例4制备的碳石墨材料的动态摩擦结果图（图中a为动摩擦试验条件；b为摩擦力-时间曲线；c为摩擦系数-时间曲线；d为试验力-时间曲线）。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。但是应当理解，这些说明只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供的碳材料的制备方法是通过自烧结工艺实现的，具体包括原料准备—压制生坯—生坯烧结—烧结料降温四大步骤，其中：
（1）原料准备：本发明所用的碳原料粉末选自生焦粉和中间相碳微球，其粒径为3～30微米，在下述实施例中所用的生焦粉为炼油厂的生石油焦经粉磨得到，其粒径为3～30微米，挥发份含量为7%～15%；中间相碳微球为沥青类化合物热处理时发生热缩聚反应形成的微米级球形碳材料，其粒径分布组成为3～8微米占比75～80%，8～14微米占比10～15%，14～30微米占比5～10%。
（2）生坯压制：采用冷等静压机（JKYC400,山西金开源实业有限公司）压制生坯；
（3）生坯烧结：将生坯放置于烧结炉（HVF30X60-A，株洲迪远硬质合金工业炉有限公司）中进行升温烧结，控制烧结炉内压力为0.1-1MPa，按照升温曲线加热烧结炉进行生坯的升温烧结得到烧结料；
（4）烧结料降温：停止烧结炉的加热，将烧结炉内的烧结料按照降温曲线降至常温。
下面以具体实施例及其检测的性能数据对本发明进行详细说明，实施例中所用原料如上所述。
一、制备机械用碳材料
实施例1：按照以下方法和步骤制备机械用碳材料：
S1、将碳原料生焦粉置于等静压成型机中按照下述的压制曲线冷等静压压制成型得到生坯；所述压制曲线为压制压力以10-20MPa/min的速率升至200MPa后，再以20-40MPa/min的速率降至常压。
S2、将生坯置于烧结炉中，在0.1-1MPa的压力条件下，按照梯度升温曲线进行升温烧结得到烧结料；所述梯度升温曲线为烧结温度以0.4-1.8℃/min的升温速率升温至1100℃，其中升温至600℃时保温60min，然后以0.4-1.2℃/min的升温速率从1100℃升温至1600℃，保温2h；
S3、在0.1-1MPa的压力条件下，将烧结料按照梯度降温曲线冷却至室温得到所述机械用碳材料；所述梯度降温曲线为烧结料温度先以1.2-2℃/min的降温速率降温至300℃，然后以0.8-0.9℃/min的降温速率降温至150℃，最后自然冷却至室温。
实施例2：制备方法同实施例1，不同的是，S2步骤中梯度升温曲线为烧结温度以0.4-1.8℃/min的升温速率升温至1100℃，其中升温至600℃时保温60min，然后以0.4-1.2℃/min的升温速率从1100℃升温至1800℃，保温2h。
实施例3：制备方法同实施例1，不同的是，S2步骤中梯度升温曲线为烧结温度以0.4-1.8℃/min的升温速率升温至1100℃，其中升温至600℃时保温120min，然后以0.4-1.2℃/min的升温速率从1100℃升温至2000℃，保温3h。
比较例1-1：制备方法同实施例1，不同的是，S2、S3步骤中烧结炉中压力范围为2～5MPa。
比较例1-2：制备方法同实施例1，不同的是，S2、S3步骤中烧结炉中压力范围为-1～-5MPa。
比较例2-1：制备方法同实施例2，不同的是，S2、S3步骤中烧结炉中压力范围为2～5MPa。
比较例2-2：制备方法同实施例2，不同的是，S2、S3步骤中烧结炉中压力范围为-1～-5MPa。
比较例3-1：制备方法同实施例3，不同的是，S2、S3步骤中烧结炉中压力范围为2～5MPa。
比较例3-2：制备方法同实施例3，不同的是，S2、S3步骤中烧结炉中压力范围为-1～-5MPa。
对比例1：制备方法同实施例1，不同的是，S2步骤中梯度升温曲线为烧结温度以0.4-1.8℃/min的升温速率升温至1100℃，其中升温至600℃时保温60分钟，然后以0.4-1.2℃/min的升温速率从1100℃升温至1300℃，保温2h。
对比例2：制备方法同实施例1，不同的是，S2步骤中梯度升温曲线为烧结温度以0.4-1.8℃/min的升温速率升温至1100℃，其中升温至600℃时保温60分钟，然后以0.4-1.2℃/min的升温速率从1100℃升温至2500℃，保温3h。
实施例4：制备方法同实施例1，不同的是，S1步骤中压制曲线为压制压力先以15-20MPa/min的速率升至100MPa，稳压2-3min；再以10-15MPa/min的速率升至200MPa，稳压4-6min；然后以20-30MPa/min的速率降至各降压压力点，在各降压压力点处稳压2-3min，所述降压压力点包括160MPa、120MPa和80MPa；最后以30-40MPa/min的速率降至常压。
实施例5：制备方法同实施例1，不同的是，S2步骤中梯度升温曲线为烧结温度先以0.8-1.8℃/min的升温速率逐渐加速升温至300℃，然后以0.4-0.6℃/min的升温速率从300℃逐渐减速升温至600℃，600℃保温60分钟后再以0.4-1.8℃/min的升温速率从600℃逐渐加速升温至1100℃，以0.4-1.2℃/min的升温速率从1100℃逐渐减速升温至1500℃，以0.8-0.9℃/min的升温速率从1500℃升温至1600℃，保温2h。
参照例：制备方法同实施例1，不同的是，S1步骤中碳原料为中间相碳微球。
对比例3：按照专利CN113387701A中公开的实施例1的制备方法制备得到的碳石墨材料。
对比例4：按照专利CN113387701A中实施例1中公开的生坯的制备方法制得生坯，将生坯按照本发明比较例1-1中S2和S3步骤烧结得到碳石墨材料。
二、本发明机械用碳材料的结构分析
采用电子扫描SEM表征实施例1至3中制备得到的碳材料的微观形貌，如图1至图3所示，图1为实施例1制备得到的碳石墨材料的SEM图，图2为实施例2制备得到的碳石墨材料的SEM图，图3为实施例3制备得到的碳石墨材料的SEM图，从图1至图3中可以看到，在石墨层状结构的分子碎片大致相互平行地，无规则地堆积在一起的乱层结构中弥散有石墨微晶结构（石墨微晶结构包括二维结构的石墨烯和三维结构的石墨），随着烧结温度的不断提高，石墨微晶的直径不断增大，在无定形碳乱层结构的占比不断提高。对图1至图3的图像进行分析，可以得到实施例1至3制备得到的碳材料的颗粒粒径为3-30μm，其中3-10μm粒径的颗粒占比均在80%以上，分别为82%（实施例1）、83%（实施例2）、85%（实施例3）。
对实施例1至3中制备得到的碳材料进行拉曼光谱分析和XRD分析，具体结果见下表1所示：
Lc —碳材料沿c轴方向的晶面晶粒大小；
R—D峰与G峰的积分强度比，用于表征材料的石墨化程度。
三、机械用碳材料的物理化学性能检测
1、体积密度、硬度、强度、气孔率及开裂率的检测
以现有的物理化学性能检测手法对上述机械用碳材料进行性能检测，其结果如下表2所示。其中烧结料开裂率以同一条件制备10个试样来检测计算。
从上表2可以看出，随着烧结温度的不断升高，碳石墨材料中石墨微晶的直径和占比不断加大，烧结得到的碳石墨材料虽体积密度不断增大，气孔率不断减小，但硬度、抗折和抗压强度却不断减小，因此在自烧结制备低气孔率、具备优良机械性能的碳石墨材料时，应选择适宜的烧结温度。
本发明在1600-2000℃烧结温度下制备得到的碳石墨材料，体积密度在1.8～2.0g/cm3之间，颗粒度细、材料致密，气孔率在0.3～1%左右，气孔率低，硬度高，抗折强度和抗压强度大，具备优良的机械性能。本发明在微压条件下进行烧结，相较比较例的高压和负压条件，烧结料未出现开裂现象，成品率得到提高。而微压条件结合本发明优选的温升和温降控制，材料的机械性能得到进一步优化。
2、抗烧蚀性能检测
检测方法为：试样尺寸10mm×10mm×10mm，试样相邻面为直角，表面粗糙度不低于Ra2.5，并无油污及其他脏物，测量试样尺寸，精确到0.02mm。将坩埚在105～110℃烘箱内烘至恒重，直到两次的重量差小于0.001克；将试样放入坩埚内不加盖，置于温度已达到规格值的马弗炉内，处于中央并离炉底20 mm的位置灼烧，灼烧时间按照技术要求执行，取出坩埚，加盖放入干燥器中冷却1小时至室温称重，精确到0.0002克，灼烧时马弗炉观察孔始终打开，让空气流通。失重率的计算公式：
其中：G1—灼烧前的试样重量，克（g）；
G2—灼烧后的试样重量，克（g）；
W—热氧化失重率。
检测结果如下表3所示：
从上表3可以看出，本发明在1600-2000℃烧结温度下制备得到的碳石墨材料耐高温烧蚀。
3、动摩擦性能检测
动摩擦性能以摩擦系数、磨损量和摩擦温度三个参数来表征。
3.1、磨损实验
用磨损试验机进行试样磨损实验，对磨副材质为YG8，试验机的工作条件为：室温10～35℃，相对湿度不大于80%；在稳固的基础或工作台上，正确安装；在无振动的环境中，周围无腐蚀性介质，使用电源单相320V，电源电压的波动范围应不超过额定电压的±10%，试验机的电源应有可靠接地，频率的波动应不超过额定频率的2%。试验情况为：常温；0.4Mpa；1500rpm；转运4小时。以人工检测有无疱疤来表示磨损试验结果，实施例1至实施例5、对比例1和参照例制得的碳材料均无明显疱疤，对比例2和4得到的碳材料出现了少量疱疤，对比例3的碳材料出现了两处疱疤。
3.2 摩擦系数和摩擦温度
采用动态摩擦系数测试仪对实施例1至5和对比例1-4烧结得到的碳材料的摩擦系数和摩擦温度进行检测，检测条件为：摩擦状况—湿磨（清水），对磨材料—石墨，其结果见图4至图12所示。
图4至图8为实施例1至实施例5制备的碳材料的动态摩擦结果曲线图，从图4至8中可以看出，无论是试验力还是摩擦系数、摩擦力随摩擦时间的变化曲线，都是趋于一条直线，说明实施例1-5制备的碳材料的动摩擦性能稳定，其摩擦系数为0.015-0.03，摩擦力为0.8-2N，摩擦面温度为9.1-27.2℃，摩擦系数低，动摩擦的滑移膜成膜良好。
图9为对比例1的动态摩擦结果曲线图，从图9可以看出，在1300℃烧结温度下制得的碳石墨材料，其摩擦系数为0.15-0.42，摩擦力为8-18N，摩擦面温度为98.9℃，摩擦系数高，试验力、摩擦力和摩擦系数随时间变化的曲线波动大，动摩擦性能不稳定。
图10为对比例2的动态摩擦结果曲线图，从图10可以看出，在2500℃烧结温度下制得的碳材料，其摩擦系数为0.14-0.3，摩擦力为6-14N，摩擦面温度为88.4℃，试验力、摩擦力和摩擦系数随时间变化的曲线波动大，动摩擦性能不稳定。
图11为对比例3制备的碳材料的动态摩擦结果曲线图，从图11可以看出，对比例3制得的碳材料，其摩擦系数为0.05-0.42，摩擦力为3-26N，摩擦面温度为90.5℃，试验力、摩擦力和摩擦系数随时间变化的曲线波动大，动摩擦性能不稳定，材料成膜性差，研磨性强，失去了机械用碳成膜性和研磨性的速率匹配关系，摩擦系数高，会磨损对磨面。
图12为对比例4制备的碳材料的动态摩擦结果曲线图，从图12可以看出，对比例4制得的碳石墨材料，其摩擦系数为0.1-0.2，摩擦力为5-15N，摩擦面温度为126.9℃，试验力、摩擦力和摩擦系数随时间变化的曲线波动大，动摩擦性能不稳定。
四、生坯的模压成型和致密性试验
对比参照例，将碳原料中间相碳微球置于冷等静压成型机中分别以100MPa、200MPa和300MPa的压力进行等静压压制，发现在100 MPa的压力下无法制备出完整的生坯，以200MPa和300MPa的压力等静压压制成型得到生坯试样1和生坯试样2，按照将压制压力以10-20MPa/min的速率升至200MPa后，再以20MPa/min的速率降至常压的压制曲线得到生坯试样3，将生坯试样1、2、3按照参照例相同的压力、温升、温降条件进行烧结，检测烧结料的体积密度和气孔率，具体结果见下表4所示。
从上表4可以看出，虽然以200MPa和300MPa的压力可以一步模压成型，但200MPa压力下压制的生坯，坯体不够致密，导致烧结后体积密度低，而以300MPa压力压制的生坯，坯体受压过大，坯体内出现分布不均匀的裂纹和孔隙，导致烧结后气孔率过大。而本发明特定的压制曲线，可提高生坯的致密性，减少裂纹、孔洞等缺陷的产生，提高烧结后的体积密度和气孔率。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
步骤一、将碳原料粉末压制为生坯；
步骤二、将生坯加热至1600～2000℃进行烧结，得到烧结料，所述碳原料粉末在所述烧结料中形成无定型碳基体和原位石墨微晶；
步骤三、将烧结料降至室温制得所述机械用碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二和步骤三是在0.1-1MPa的压力条件下进行。
3.根据权利要求1所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述碳原料粉末的粒径为3-30μm，所述原位石墨微晶的宽度L为5.5-10.2 nm。
4.根据权利要求1所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述机械用碳材料的颗粒粒径为3-30μm，其中3-10μm粒径的颗粒占比在80%以上。
5.根据权利要求1所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中生坯的压制是将压制压力以10-20MPa/min的速率升至200-210MPa后，再以20-40MPa/min的速率降至常压。
6.根据权利要求5所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述生坯的压制具体为：将压制压力先以15-20MPa/min的速率升至100-110MPa，稳压2-3min；再以10-15MPa/min的速率升至200-210MPa，稳压4-6min；然后以20-30MPa/min的速率降至各降压压力点，在各降压压力点处稳压2-3min，所述降压压力点包括150-160MPa、120MPa和70-80MPa；最后以30-40MPa/min的速率降至常压。
7.根据权利要求1所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中生坯的烧结具体为：
将生坯先以0.4-1.8℃/min的速率加热至500～700℃，保温60-120min后，再以0.4-1.8℃/min的速率加热至1000～1200℃，然后以0.4-1.2℃/min的速率加热至1600～2000℃，生坯在1600～2000℃的烧结温度下保温2-3h，得到烧结料。
8.根据权利要求7所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述将生坯以0.4-1.8℃/min的速率加热至1000～1200℃具体为：
将生坯先以0.8-1.8℃/min的速率加热至300～400℃，然后以0.4-0.6℃/min的速率加热至500～700℃，保温60-120min后，再以0.4-1.8℃/min的速率加热至1000～1200℃。
9.根据权利要求7所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述将生坯以0.4-1.2℃/min的速率加热至1600～2000℃具体为：
将1000～1200℃下的生坯以0.4-1.2℃/min的速率加热至1500℃，再以0.8-0.9℃/min的速率加热至1600～2000℃。
10.根据权利要求1所述的一种机械用碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中烧结料降至室温的温度变化规律具体为：先以1.2-2℃/min的降温速率降温至300-400℃，再以0.8-0.9℃/min的降温速率降温至120-150℃，最后自然冷却至室温。
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