炭石墨复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种炭石墨复合材料制备方法，属于特种无机非金属材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 炭石墨材料具有密度小、强度大、耐高温、抗化学腐蚀、抗福射、抗疲劳、高导电、高 导热、耐烧蚀、热膨胀小、生理相容性好等一系列优异的特性，已在各行各业中得到越来越 多的应用。
[0003] 无机非金属材料基本都是脆性材料，如；砖、石材、陶瓷、玻璃、水泥混凝±、炭素材 料。脆性材料的另一特征，抗压强度较高，但抗折和抗冲击力学性能很低。绝大多数无机非 金属材料(包括炭石墨材料）具有此特征。
[0004] 炭石墨材料90%主要用于炼钢炉和铅电解槽W及各类矿热炉中，其使用场合常常 是高温高电流高腐蚀和热振动热冲击等苛刻条件。由于炭石墨材料抗折强度低，初性差，在 该些苛刻条件下使用常出现裂纹、开裂、断裂、掉块、剥落和掉渣掉粒等现象，提高炭石墨材 料的抗折强度和抗热振性W及初性是目前炭石墨企业技术进步的难点和热点。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种炭石墨复合材料的制备方法，该方法制备得 到的材料具有很好的抗折强度、抗热振性和初性。
[0006] 为解决W上技术问题，本发明采用的技术方案是： 一种炭石墨复合材料的制备方法，原料采用如下粒度和重量百分比配料；炭黑 1. 5-2. 5%，《1mm石墨5-8%，《0. 075mm锻烧石油焦粉25- 30%，1~4mm锻烧石油焦15- 20%, 4~10mm电锻无烟煤10- 15%, 10- 16mm电锻无烟煤5~10%, 10- 16mm锻烧渐青焦5~ 15%，煤渐青18- 20% ;短切碳纤维为W上原料总量的1~3〇/〇。
[0007] 锻烧石油焦粉和锻烧石油焦是经经约130(TC锻烧而成，电锻无烟煤经约 1100-200(TCW上温度锻烧而成，锻烧渐青焦是经约130(TC锻烧而成。炭黑为导电炭黑、己 快炭黑、半补强炭黑W及相关炭黑，性能指标与生产普通炭刷炭黑原料相近。天然石墨，可 W是鱗片石墨也可W是低灰的±状石墨，性能指标与生产普通机电用炭石墨制品用天然石 墨原料相近。煤渐青可W是中温煤渐青亦可W是改质煤渐青。炭石墨材料与其它无机非金 属材料一样，属脆性材料，抗折强度低，抗冲击性差。而金属材料特征是初性好，抗折强度 高，抗冲击性好。加入短切碳纤维对样品抗折强度有明显提高，增加了炭石墨材料样品的初 性，提高了实际应用的抗热振性。
[000引步骤包括： (1) 配料、混捏，先将炭黑、天然石墨、锻烧石油焦粉、锻烧石油焦、电锻无烟煤和短切碳 纤维进行组合配料，经过干混后与煤渐青粘合剂加温捏合，形成复合塑性体； (2) 成型，将复合塑性体通过成型工艺制备成炭素复合生逐体； (3) 赔烧，将生逐体装入赔烧炉，经过赔烧，制成炭素材料； (4)石墨化，将炭素材料装入石墨化炉，经2200-300(TC高温处理，制得炭石墨复合材 料。
[0009] 作为优选的技术方案，所述的混捏，是先将炭黑、天然石墨、锻烧石油焦粉、锻烧 石油焦、电锻无烟煤和锻烧渐青焦加入混捏机中，间隔5-6分钟后再加入短切碳纤维进行 干混，干混时间为35 -40分钟，干混温度为120- 15(TC ;在干混温度达到设定的时间和 温度时，加入175C -185C的煤渐青进行湿混，湿混时间在30-50分钟，混捏温度为160 -165C，将混捏后的糊料进行凉料，当糊料温度降至125 - 145C时，加入模具中形成复合塑 性体。
[0010] 作为优选的技术方案，所述的成型，是指振动成型、挤压成型、模压成型、等静压成 型中的一种。
[0011] 作为优选的技术方案，采用液压立式振动成型，主要工艺参数为：液压压力 4-7Mpa,振动时间为3-7分钟；振动完成后，保持压力静置2-5分钟；静置完成后，打开模 具，拉出生逐体喷水冷却2-5小时，冷却水温为30-5(TC ;冷却完成后，即制备成复合炭素生 逐体。
[0012] 作为优选的技术方案，所述的赔烧按照W下制度完成， ① 装炉制度；生逐与生逐距离100 - 120mm，生逐与塞炉墙壁距离150 - 250mm，生逐下 端铺150mm厚度的冶金焦细粒，生逐上端覆盖300 - 500mm厚度的冶金焦细粒； ② 升温制度；从室温至23(TC温度区间平均升温速度为每小时3-5C;在23(TC至50(TC 温度区间平均升温速度为每小时1. 0-1. 5°C ;在50(TC到60(TC温度区间平均升温速度为每 小时2. 5-3. 5。在60(TC至80(TC温度区间平均升温速度为每小时4-6。在80(TC至90(TC 温度区间平均升温速度为每小时5-15C ;在90(TC至120(TC温度区间平均升温速度为每小 时15-30°C ;在最高温度120(TC -130(TC保温30-60小时； ③ 降温制度；采用自然冷却方式，每小时降温l〇-2(TC。
[0013] ④产品冷却到300-400°C时即可出妒。
[0014] 作为优选的技术方案，所述的碳纤维是PAN基短切碳纤维或渐青基短切碳纤维。 所述的短切碳纤维长度可W是10-200mm，平均直径是5微米-30微米。在将碳纤维加入混 捏机W前先期采用有机溶剂，如酒精、丙丽等进行分散处理。
[0015] 本发明的原料主要采用炼油副产品一石油焦W及块状无烟煤、炭黑、天然石墨、渐 青焦、冶金焦、碳纤维为干料原料，该些原料组元大部分破碎成0-20mm的粒度；炭石墨材料 性能优良，抗折强度高，抗热振性能更优，膨胀系数更小，在实际使用中不裂不断稳定性好。
【具体实施方式】 [001引 实施例1 该实施例作为对比例，未添加短切碳纤维。
[0017] 配料为；《1臟微晶石墨5%，《0. 075讓锻烧石油焦28%，1~4mm锻烧石油焦 15%，4~10mm电锻无烟煤10%，10- 16mm电锻无烟煤5%，10- 16mm锻烧渐青焦15%，己快 炭黑2 %，煤渐青20%。外加1% T300 P A N短切碳纤维(直径12化，长度10mm)。
[0018] (1)配料、混捏，先将炭黑、天然石墨、锻烧石油焦粉、锻烧石油焦、电锻无烟煤和锻 烧渐青焦加入混捏机中，干混时间为35分钟，干混温度为12CTC;在干混温度达到设定的时 间和温度时，加入175C的煤渐青进行湿混，湿混时间在30分钟，混捏温度为160 °C，形成 复合塑性体； (2) 成型，将复合塑性体采用模压成型，成型压力60Mpa，样品尺寸cD80X80mm，制备成 炭素复合生逐体； (3) 赔烧，将生逐体装入赔烧炉，经过赔烧，制成炭素材料；赔烧按照W下制度完成： ① 装炉制度；生逐与生逐距离100 mm,生逐与塞炉墙壁距离150mm，生逐下端铺150mm 厚度的冶金焦细粒，生逐上端覆盖300 mm厚度的冶金焦细粒； ② 升温制度；从室温至23CTC温度区间平均升温速度为每小时：TC ;在23CTC至50(TC 温度区间平均升温速度为每小时1. (TC ;在50(TC到60(TC温度区间平均升温速度为每小时 2. 5°C ;在60(TC至80(TC温度区间平均升温速度为每小时4°C ;在80(TC至90(TC温度区间 平均升温速度为每小时5C;在90(TC至120(TC温度区间平均升温速度为每小时15C;在最 高温度120(TC保温30-60小时； ③ 降温制度；采用自然冷却方式，每小时降温l〇-2(TC。
[0019] ④产品冷却到300°C时即可出妒。
[0020] (4)石墨化，将炭素材料装入石墨化炉，经250(TC高温处理，制得炭石墨复合材料。
[0021] 再进行机械加工，即可制得性能优良的炭素材料和石墨复合材料。
[0022] 表1实施例1制得的炭素材料和石墨复合材料质量指标
【主权项】
1. 一种炭石墨复合材料的制备方法，其特征在于：原料采用如下粒度和重量百分比配 料：炭黑1. 5-2. 5%，彡Imm石墨5-8%，彡0· 075mm煅烧石油焦粉25- 30%，1~4mm煅烧石 油焦15-20%，4~IOmm电煅无烟煤10- 15%，10- 16mm电煅无烟煤5~10%，10- 16mm煅烧 浙青焦5~ 15%，煤浙青18- 20% ;短切碳纤维为以上原料总量的1~3%，步骤包括： (1) 配料、混捏，先将炭黑、天然石墨、煅烧石油焦粉、煅烧石油焦、电煅无烟煤、煅烧 浙青焦和短切碳纤维进行组合配料，经过干混后与煤浙青粘合剂加温捏合，形成复合塑性 体； (2) 成型，将复合塑性体通过成型工艺制备成炭素复合生坯体； (3) 焙烧，将生坯体装入焙烧炉，经过焙烧，制成炭素材料； (4) 石墨化，将炭素材料装入石墨化炉，经2200-300(TC高温处理，制得炭石墨复合材 料。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于： 所述的混捏，是先将炭黑、天然石墨、煅烧石油焦粉、煅烧石油焦、电煅无烟煤和煅烧浙 青焦加入混捏机中，间隔5-6分钟后再加入短切碳纤维进行干混，干混时间为35 -40分钟， 干混温度为120- 150°C ;在干混温度达到设定的时间和温度时，加入175°C _185°C的煤浙 青进行湿混，湿混时间在30-50分钟，混捏温度为160 - 165°C，将混捏后的糊料进行凉料， 当糊料温度降至125 - 145°C时，加入模具中形成复合塑性体。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的成型，是指振动成型、挤压成型、模 压成型、等静压成型中的一种。
4. 根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：采用液压立式振动成型，主要工艺参 数为：液压压力4_7Mpa，振动时间为3-7分钟；振动完成后，保持压力静置2-5分钟；静置完 成后，打开模具，拉出生坯体喷水冷却2-5小时，冷却水温为30-50°C ;冷却完成后，即制备 成复合炭素生坯体。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于： 所述的焙烧按照以下制度完成， ① 装炉制度：生坯与生坯距离100 - 120mm，生坯与窑炉墙壁距离150 - 250mm，生坯下 端铺150mm厚度的冶金焦细粒，生坯上端覆盖300 - 500mm厚度的冶金焦细粒； ② 升温制度：从室温至230°C温度区间平均升温速度为每小时3-5°C;在230°C至500°C 温度区间平均升温速度为每小时I. 0-1. 5°C ;在500°C到600°C温度区间平均升温速度为每 小时2. 5-3. 5°C;在600°C至800°C温度区间平均升温速度为每小时4-6°C;在800°C至900°C 温度区间平均升温速度为每小时5-15°C ;在900°C至1200°C温度区间平均升温速度为每小 时15-30°C ;在最高温度1200°C -1300°C保温30-60小时； ③ 降温制度：采用自然冷却方式，每小时降温10-20°C ; ④ 产品冷却到300-400°C时即可出妒。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的短切碳纤维是PAN基碳纤维或浙 青基碳纤维。
7. 根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于：所述的短切碳纤维长度可以是 10-200_，平均直径是5微米-30微米。
8. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在将短切碳纤维加入混捏机以前先 期采用有机溶剂进行分散处理。
【专利摘要】本发明涉及一种炭石墨复合材料的制备方法，原料采用如下粒度和重量百分比配料：炭黑1.5-2.5%，≤1mm石墨5-8%，≤0.075mm煅烧石油焦粉25-30%，1～4mm煅烧石油焦15—20%，4～l0mm电煅无烟煤10-15%，10-16mm电煅无烟煤5~10%，10-16mm煅烧沥青焦5~15%，煤沥青18-20%；短切碳纤维为以上原料总量的1~3%。经过配料、混捏、成型、焙烧、石墨化，制得炭石墨复合材料，性能优良，抗折强度高，抗热振性能更优，膨胀系数更小，在实际使用中不裂不断稳定性好。
【IPC分类】C01B31-04
【公开号】CN104649263
【申请号】CN201510099268
【发明人】张红亮
【申请人】山西亮宇炭素有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年3月6日