DE2116838C3 - Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Körpern auf Graphitbasis - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Körpern auf Graphitbasis

Info

Publication number
DE2116838C3
DE2116838C3 DE2116838A DE2116838A DE2116838C3 DE 2116838 C3 DE2116838 C3 DE 2116838C3 DE 2116838 A DE2116838 A DE 2116838A DE 2116838 A DE2116838 A DE 2116838A DE 2116838 C3 DE2116838 C3 DE 2116838C3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
graphite
mesophase
carbon
fibers
pitch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DE2116838A
Other languages
English (en)
Other versions
DE2116838A1 (de
DE2116838B2 (de
Inventor
Lloyd Isaac Elizabethton Grindstaff
Frederick Carl Johnson City Miller
Mack Page Johnson City Whittaker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon Corp
Original Assignee
Great Lakes Carbon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Great Lakes Carbon Corp filed Critical Great Lakes Carbon Corp
Publication of DE2116838A1 publication Critical patent/DE2116838A1/de
Publication of DE2116838B2 publication Critical patent/DE2116838B2/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2116838C3 publication Critical patent/DE2116838C3/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C04B35/83Carbon fibres in a carbon matrix
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Körpern auf Graphitbasis durch Zugabe einer graphitierbaren Kohlenstoff-Faser zu einem graphitierbaren, Kohlenstoff bildenden Pech, Bildung oder Gießen u'es Formkörpers und Carbonisieren und Graphitieren des erhaltenen Formkörpers.
Fs sind bereits zusammengesetzte Körper auf Kohlenstoff-Graphit-Basis bekannt, die Laminate von Graphit- oder Kohlenstoff-Fasern mit einer Kohlenstoffmatrix darstellen, welche aus einem Epoxyharz, einem Phenolformaldehydharz oder einem ähnlichen Harz hergestellt worden ist.
Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf einen laminierten künstlichen Graphitgegenstand und insbesondere auf einen zusammengesetzten Körper aus einer graphiiierbaren Kohlenstoff-Faser und aus Mesophase.
Graphit ist ein Material, welches ein guter Leiter für Wärme und Elektrizität ist und das gegenüber hohen Temperaturen extrem beständig ist. Graphit ist auch gegenüber dem Angriff der meisten chemischen Stoffe hoch resistent. Demgemäß ist in der Industrie für eine Vielzahl von Anwendungszwecken Graphit ein äußerst wichtiges und geeignetes Material.
Fast der gesamte künstliche Graphit, der derzeit hergestellt wird, wird nach dem Acheson-Verfahren hergestellt. Das Acheson-Verfahren, welches das erste erfolgreiche Verfahren für die Herstellung von Gegenständen aus künstlichem Graphit war, ist seit der Entdeckung im Jahre 1896 etwas modifiziert worden. Generell gesprochen, werden Gegenstände aus künstlichem Graphit aus einem Material auf der Basis von Petroleumkoks hergestellt. Bei diesem Verfahren werden die Koksteilchen mit einem Kohleteer- oder Pechbindemittel vermischt, und das erhaltene Gemisch wird verformt. Die erhaltenen Formkörper werden bei etwa 1000° C gebacken und hiernach in einem elektrischen Ofen bei 2500° C graphitiert.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird ein Graphit-Formkörper oder eine Graphitmasse erhalten, welche durch ein Verarbeiten oder durch ein ähnliches physikalisches Verfahren in den gewünschten Gegenstand verformt werden kann.
Graphitierte zusammengesetzte Körper sind nuf Grund ihrer primären Struktureigenschaften insbesondere für Hochtemperatur-Anwendungszwecke, z, B. oberhalb 10000C, geeignet. Diese Anwendungszwecke können Raumfahrt-, Wiedereintritt- und suborbitale Flugzwecke einschließen. Die graphitierten zusammengesetzten Körper können auch
zur Herstellung von Preßgesenken Für Heißverformungszwecke bei der Herstellung von keramischen Stoffen u. dgl. eingesetzt werden.
Weiterhin wird bei Kernreaktoren Graphit als Moderator verwendet, um die bei der Spaltung von
ίο U-235 gebildeten schnellen Neutronen zu verlangsamen. Die moderierten Neutronen sollten die minimal mögliche Zeit in der Gegend einer Zwischenenergie verbringen, wo sie durch die im Überschuß vorhandenen U-238-Atome gefangen werden können und dem System ohne eine weitere Spaltung verlorengehen. Ein Moderator aus hochdichtem Graphit steigert somit die Kompaktheit des Reaktors. Aus diesem Grunde sind zusammengesetzte Körper mit hoher Dichte, die an die theoretische Dichte von Kohlenstoff, nämlich 2,25 g/cm3, herankommen, erwünscht.
In neuerer Zeit ist ein Verfahren zur Herstellung eines sehr hochdichten Graphits entwickelt worden, bei welchem ein verflüssigbarer Kohlenwasserstoff,
a5 z. B. die Beschickung einer Verkokungseinrichtung, auf eine Temperatur von mindestens 400° C erhitzt wird, um eine sinterbare Substanz zu bilden, die mindestens 75 Gewichtsprozent Mesophase enthält, die Mesophase bei etwa 400 bis 500° C carbonisiert wird und bei welchem der erhaltene Graphitkörper durch die herkömmlichen Graphitierungstechniken bei Temperaturen bis zu 3000° C in Graphit umgewandelt wird.
Der hierin verwendete Ausdruck »Mesophase« wird in einer Arbeit von G. W. Gray, Molecular Structure and the Properties of Liquid Cristals, Academic Press, New York, 1962, beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zusammengesetztes Material mit hoher Dichte zur Verfugung zu stellen, das ausschließlich aus Graphit besteht.
Die Anisotropie des Materials soll durch Kontrolle der Orientierung der Mesophase während der Herstellung kontrolliert werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der vorstehend beschriebenen Art dadurch gelöst, daß das Pech vor Zugabe der graphitierte.en Kohlenstoff-Faser zur Bildung der Mesophase in bekannter Weise auf Temperaturen von 400 bis 500° C erhitzt wird.
In der deutscnen Auslegeschrift 1213 334 wird bereits ein Verfahren beschrieben, bei welchem ein graphitierbares kohlenstoffhaltiges Material mit einer graphitierbaren Kohlenstoff-Faser gemischt wird, ein Formkörper gebildet wird und der erhaltene Körper carbonisiert und graphitiert wird.
Durch dieses bekannte Verfahren sind aber nur Produkte mit niedrigen Schüttdichten, z, B. 0,94 bis 1,1 g/cm3, herstellbar, während gemäß der vorliegenden Erfindung erheblich höhere Schüttdichten, z. B. von 1,8 g/cm3, erhalten werden können.
Weiterhin finden sich in dieser Druckschrift auch keine Hinweise auf die speziellen Verfahrensmaßnahmen gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere auf die erfindungsgemäß erfolgende Bildung der Mesophase.
In der USA.-Patentschrift 3 392 216 wird zwar beschrieben, daß das Pech vor seiner Verarbeitung auf Temperaturen zwischen 300 und 500° C vorerhitzt werden kann, doch geht aus dieser Druckschrift die
2 Π6838
erfindungsgemäß vorgesehene Zumischung von Kohlenstoff-Fasern zu einem derart behandelten Pech nicht hervor.
Zu der Mesophase werden vorzugsweise etwa 1 bis 50 Gewichtsprozent Kohlenstoff-Fasern gegeben. Die Carbonisierung erfolgt im allgemeinen bei Temperaturen von 400 bis 650° C.
Der auf diese Weise gebildete Graphit-Graphit-zusammengesetzte Körper besitzt eine extrem hohe Dichte, die an die theoretische Dichte von natürlichem Graphit herankommt. Diese extreme Dichte ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Mesophase eine Kohlenstoffausbeute von etwa 90 bis 95 °/o aufweist, während die Kohlenstoffausbeute von polymeren Harzen der bekannten zusammengesetzten Stoffe niedrig ist und für Epoxyharze etwa 20 0Zo und für Phenolformaldehydharze etwa 40 0Zo beträgt. Niedrige Kohlenstoffnusbeuten ergeben aber nach der Carbonisierung und Graphitierung des erhaltenen zusammengesetzten Körpers poröse Produkte. Darüber hinaus ist die Bindungsfestigkeit der Fasern an der Matrix zwischen KoliLnstoff-Fasern und der Mesophase erheblich größer, als zwischen Kohlenstoff-Fasern und den bekannten Harzen. Es scheint, daß die Mesophase epitaxial entlang den Fasern eine optimale Bindungsfestigkeit zwischen den Kohlenstoff-Fasern und der carbonisierten Mesophase ausbildet.
Es wurde gefunden, daß bei Verwendung der Mesophase Uno von Kohlenstoff-Fasern als Komponenten der zusammengesetzten Körper zwischen der Matrix und den Fasern in dem Graphitkörper eine erhebliche Bindefestigkeit vorlie t.
Der erfindungsgemäße zusammengesetzte Körper wird in typischer Weise dadurch hergestellt, daß man etwa 1 bis 10 Gewichtsprozent geschnittene Kohlenstoff-Fasern (weniger als 2,5 cm lang) in einem heißen, fließfähigen Mesophase-System dispergiert, hierauf einen Formkörper bildet oder gießt und daß man den erhaltenen Artikel bei etwa 3000° C pyrolysiert und graphitiert.
Die für die Erfindung geeigneten Kohlenstoff-Fasern umfassen solche, die bei etwa 500 bis 3000° C graphitiert worden sind, und sie schließen alle Fasern ein, die typischerweise als Kohlenstoff- oder Graphit-Fasern bezeichnet werden. Die Fasern können in Form von Tauen, Watten, Filzen, Garnen, Endlosfäden oder geschnittenen Fäden vorliegen.
Zur Ausbildung einer vollständig graphitischen Struktur werden Polyacrylnitrilfasern oder ähnliche Fasern, die graphitierbar sind und die beispielsweise in Form eines gewebten Flächengebildes vorliegen können, mit der Mesophase unter Bildung eines Ianrinierten Körpers vermischt. Dieser laminierte Körper wird pyrolysiert und hierauf graphitiert, um einen Graphitkörper mit extremer Dichte zu bilden. Bei der Herstellung des Laminats ergibt die Verwendung von Graphitfasern aus Polyacrylnitril, die bei Temperaturen von 1000 bis 3000° C pyrolisiert worden sind, zusammengesetzte Körper mit der höchsten Enddichte.
Das als Matrixmaterial für die Zwecke der Erfindung geeignete Mcsophase-Produkt kann aus jedem beliebigen graphitierbaren kohlenstoffbildenden Pech oder ähnlichem Material hergestellt werden. Ein solches graphitierbares Kohlenstoff bildendes MateriaJ kann z. B. Kohleteerpech, Pech vertikaler Retorten, S die petroläther-lösliche Fraktion von Koksofenpech, die toluol-lösliche Fraktion von Koksofenpech, die pyridin-lösliche Fraktion von Koksofenpech, natürliche und synthetische Petroleumrückstäade, Vitrinite von bitumenartigen Kohlen, Naphtacen, Polyvinylchlorid u. dgl. einschließen, die graphitierbaren Kohlenstoff bilden.
Das als Ausgaagsmaterial verwendete Pech oder ein ähnliches Material wird auf etwa 400 bis 500° C erhitzt, an welchem Punkt sich die Mesophase bildet.
Die Fasern können mit dem Mesophase-Matrixmaterial bei oder unterhalb des Punktes, bei welchem die Mesophase gebildet wird, verrnii;hi werden. Das Formen oder das Gießen des fertigen Artikels erfolgt jedoch nach der Bildung der Mesophase. Ein solches
ao Formen oder Gießen kann mit oder ohne die Anwendung von äußerem Druck geschehen.
Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.
Beispiel 1
Kohlenstoff-Fasern auf Polyacrylnitrilbasis mit einer durchschnittlichen Länge von 0,64 cm wurden bei einem Fasergehalt von etwa 5 Gewichtsprozent in heißer Mesophase (400° C) erhitzt. Das Gemisch wurde in eine Form mit einem Durchmesser von 2,54 cm gebracht und bei einem Druck von etwa 1410 kg/cm2 komprimiert. Es wurde auf 550° C erhitzt, wonach der Druck weggenommen wurde und der zusammengesetzte Körper 3Vi Tage bei 900° C gebacken wurde. Hierauf wurde er 4 Tage bei 2500° C graphitiert. Die scheinbare Dichte des erhaltenen zusammengesetzten Körpers betrug 1,8 g/cm3.
Beispiel 2
Kohlenstoff-Fasern auf Polyacrylnitril-Basis mit einer mittleren Länge von 0,635 cm wurden zu einem Fasergehalt von etwa 5 Gewichtsprozent in der heißen Mesophase (flüchtige Stoffe 8 Gewichtsprozent) dispergiert. Das Gemisch wurde in eine Form mit einem Durchmesser von 2,54 cm gebracht, auf 4,90 atü komprimiert und auf 400° C erhitzt. Der Druck und die Temperatur wurden 30 Minuten einwirken gelassen, worauf die Heizung abgestellt wurde und das Formstück 45 Minuten abkühlen gelassen wurde. Sodann wurde der Druck abgestellt und das Formteil über einen Zeitraum von 15 Stunden auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.
Das Formstück wurde sodann über einen Zeitraum von 3Vs Tagen auf 900° C erhitzt und sodann auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die erhaltene Dichte betrug 1,811 g/cm·1.
Der erfindungsgemäße zusammengesetzte Körper besitzt alle Vorteile von geformten Graphitkörpern hinsichtlich der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, der Beständigkeit gegenüber Wärme und chemischen Angriffen, und er weist darüber hinaus die Struktureigenschaflen von zusammengesetzten Körpern auf.

Claims (1)

  1. 2 Π6 838
    Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Körpern auf Graphitbasis durch Zugabe einer graphitierbaren Kohlenstoff-Faser zu einem graphitierbaren, Kohlenstoff bildenden Pech, Bildung oder Gießen des Fonnkörpers und Carbonisieren und Graphitieren des erhaltenen Fonnkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß das Pech vor Zugabe der graphitierbaren Kohlenstoff-Faser zur Bildung der Mesophase in bekannter Weise auf Temperaturen von 400 bis 500° C erhitzt wird.
DE2116838A 1970-04-06 1971-04-06 Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Körpern auf Graphitbasis Expired DE2116838C3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US2613770A 1970-04-06 1970-04-06

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2116838A1 DE2116838A1 (de) 1971-11-18
DE2116838B2 DE2116838B2 (de) 1974-04-18
DE2116838C3 true DE2116838C3 (de) 1974-11-28

Family

ID=21830112

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2116838A Expired DE2116838C3 (de) 1970-04-06 1971-04-06 Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Körpern auf Graphitbasis

Country Status (5)

Country Link
JP (1) JPS5123522B1 (de)
CA (1) CA970918A (de)
DE (1) DE2116838C3 (de)
FR (1) FR2089262A5 (de)
GB (1) GB1339291A (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6056192U (ja) * 1983-09-21 1985-04-19 株式会社神戸製鋼所 溶接用台車の自動停止機構

Also Published As

Publication number Publication date
DE2116838A1 (de) 1971-11-18
CA970918A (en) 1975-07-15
GB1339291A (en) 1973-11-28
FR2089262A5 (de) 1972-01-07
DE2116838B2 (de) 1974-04-18
JPS5123522B1 (de) 1976-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3876732T2 (de) Verfahren zur herstellung eines kohlenstoff-kohlenstoff-verbundkoerpers von hoher festigkeit.
US3787541A (en) Graphitization of mesophase pitch fibers
DE2612296C3 (de) Verfahren zur Herstellung von Graphitmaterial
DE68916086T2 (de) Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffen.
DE3882452T2 (de) Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Kohlenstoff/Kohlenstoffasern.
DE1202702B (de) Verfahren zur Herstellung von dichten Gegenstaenden aus Kohlenstoff
US4190637A (en) Graphite having improved thermal stress resistance and method of preparation
DE1646658A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Gegenstaenden ausgepraegter Gestalt aus Kohle
DE69123778T2 (de) Verbindungsnipple für Graphitelektroden
DE69828168T2 (de) Kohlenstoffverbundwerkstoffe
DE102015222439B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Graphitkörpern
EP0720973A2 (de) Verfahren zum Wiederverwerten von Kohlenstoffasern enthaltenden Abfällen oder Reststücken
US3943213A (en) Method for manufacturing high temperature graphite fiber-graphite composites
DE102013114628A1 (de) Verfahren zum Herstellen von endkonturnah geformten Siliciumcarbid-Keramiken
DE1213334B (de) Foermkoerper aus kohlenstoffhaltigem Material und einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE69018923T2 (de) VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KOHLENSTOFFORMKöRPERS MIT EXZELLENTER KOMPRESSIONS ELASTIZITÄT.
EP0068519B1 (de) Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofformkörpern
DE2714364C3 (de) Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffkörpern
DE3248840C2 (de) Mit wärmehärtendem Harzbindemittel imprägniertes Kohlenstoff-Fasermaterial
US3708451A (en) Method and composition for preparing graphite products
DE2116838C3 (de) Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Körpern auf Graphitbasis
US3993738A (en) High strength graphite and method for preparing same
DE2556127A1 (de) Verfahren zur herstellung von kohlenstoffverbundformlingen
DE69417522T2 (de) Verfahren zur Herstellung von hochdichten und hochfesten Gegenständen aus Kohlenstoff unter Verwendung selbsthaftender, körniger Kohlenstoffmaterialien
DE3726861A1 (de) Hochkohlenstoffhaltiger verbundwerkstoff

Legal Events

Date Code Title Description
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
E77 Valid patent as to the heymanns-index 1977
8339 Ceased/non-payment of the annual fee