专利名称：天然石墨自凝固成型的方法
技术领域：
本发明涉及石墨成型的方法。
背景技术：
天然石墨属稀有非金属矿物材料之一，具有良好的导电、导热、润滑、耐火及化学稳定性。由于石墨具有上述的特殊性能，所以在冶金、机械、石油、化工、核工业、国防等领域得到广泛的应用。其主要用途为大体分为以下六类一、耐火材料在冶炼工业中，用石墨制造石墨坩埚、作钢锭的保护剂、作冶炼炉内衬的镁碳砖；二、导电材料在电器工业中，广泛采用石墨作电极、电刷、电棒、碳管以及电视机显像管的涂料等；三、耐磨材料和润滑
剂在许多机械设备中，用石墨作耐磨和润滑材料，可以在-20(TC 200(rC温度范围内以
100m/s的速度滑动；四、密封材料用柔性石墨作离心泵、水轮机、汽轮机和输送腐蚀介质的设备的活塞环垫圈、密封圈等；五、耐腐蚀材料用石墨制作器皿、管道和设备，可耐各种腐蚀性气体和液体的腐蚀，广泛用于石油、化工、湿法冶金等部门；六、隔热、耐高温、防辐射材料石墨可作为核反应堆中中子减速剂以及火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇航设备零件、隔热材料、防射线材料等。现有的石墨成型的方法有以下两种一、石墨热压成型是以高纯石墨粉加入树脂等原料，经加热加压，得到成型的石墨，热压的温度通常为250(TC
300(TC，压力^ 20MPa，石墨热压成型条件苛刻、成本高、产品形状及尺寸受热压炉大小所控制，另外热压成型后要根据实际应用工件尺寸、形状进行机械车削，又进一步增加了成本，从而限制了石墨材料的应用范围；二、石墨冷成型是把天然磷片石墨通过机械力挤压或粘结剂混捏形成一定型状，然后根据工况的要求对成型的石墨块体进行碳化及石墨化处理。石墨冷成型所需机械力^ 30Mpa时才表现出良好的机械性能，并且容易因外力不均匀而产生裂纹、抗弯强度《10MPa，韧性低，从而限制其应用。
发明内容
本发明是为了解决现有的石墨热压成型方法的条件苛刻、产品形状及尺寸受热压炉大小所控制、需要进行二次切削加工、成本高及冷成型方法的易产生裂纹、韧性低的问题，而提供天然石墨自凝固成型的方法。
本发明的天然石墨自凝固成型的方法，按以下步骤进行一、根据石墨工件的尺寸及形状设计加工加料口可以密封的塑料模具；二、按质量比为天然石墨硅溶胶苯酚质量浓度为35% 37%的甲醛碳酸钠水=50 70 :4 7 :8 12 :14 20 :4 7 :8 20，将天然石墨、硅溶胶、苯酚、质量浓度为35% 37%的甲醛、碳酸钠和水混合均匀，倒入经步骤一制备的模具中，封闭加料口 ；三、将经步骤二处理的模具放在温度为5(TC 75t:的恒温箱内保持1. 5h 2. 5h，然后去除模具，得到固化成型的石墨件；四、将经步骤三得到的固化成型的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min 5°C /min的速率升温至90(TC 110(TC后保持1.5h 2. 5h，得到碳化的石墨件；五、将经步骤四得到的碳化的石墨件进行封孔处理，得到石墨工件。 步骤五中所述的封孔处理是这样进行的a、把碳化后的石墨件放入温度150°C 160°C的保温箱内保持2h 4h ;b、把经步骤a处理的石墨件浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为150°C 18(TC、压力为2MPa 5MPa的条件下保持2h 4h ;c、将经步骤b处理的石墨件在温室放置24h 48h ;d、将经步骤c处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min 5°C /min的速率升温至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h ;e、将经步骤d处理的石墨件降温至150°C 18(TC时，浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为150°C 18(TC、压力为2MPa 5MPa的条件下保持2h 4h ;f、将经步骤e处理的石墨件在温室放置24h 48h ;g、将经步骤f处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min 5°C /min的速率升温至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h，完成封孔处理。 本发明采用溶液法使磷片状天然石墨在高分子溶液中一次成型，通过设计不同的模具尺寸及形状，天然石墨可形成任意大小及形状的复杂石墨工件，整个过程在常压下进行，条件温和，不需要大型的压力机或等静压设备，用普通的塑料模具代替造价较高的特种钢模具，形成的石墨工件的尺寸及形状由塑料模具控制，操作灵活，不需二次车削，使制备成本大大降低；根据参数的不同可设计出不同强度及孔隙率的石墨工件产品，抗弯强度为26MPa 30MPa，孔隙率为1% 5% ;石墨工件的制备过程没有经过挤压过程，石墨工件没有裂纹，材料均匀，韧性高。本发明的方法可用于制备耐火材料、导电材料、耐磨材料和润滑剂、密封材料、耐腐蚀材料以及隔热、耐高温、防辐射材料，应用于核工业、航空等前沿部门及普通工业领域。
图1是具体实施方式
十四制备的石墨工件断口的扫描电镜图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 本实施方式的天然石墨自凝固成型的方法，按以下步骤进行一、根据石墨工件的尺寸及形状设计加工加料口可以密封的塑料模具；二、按质量比为天然石墨硅溶胶苯酚质量浓度为35% 37%的甲醛碳酸钠水=50 70 :4 7 :8 12 :
414 20 :4 7 :8 20，将天然石墨、硅溶胶、苯酚、质量浓度为35% 37%的甲醛、碳酸钠和水混合均匀，倒入经步骤一制备的模具中，封闭加料口 ；三、将经步骤二处理的模具放在温度为50°C 75t:的恒温箱内保持1. 5h 2. 5h，然后去除模具，得到固化成型的石墨件；四、将经步骤三得到的固化成型的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min 5°C /min的速率升温至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h，得到碳化的石墨件；五、将经步骤四得到的碳化的石墨件进行封孔处理，得到石墨工件。 本实施方式采用溶液法使磷片状天然石墨在高分子溶液中一次成型，通过设计不同的模具尺寸及形状，天然石墨可形成任意大小及形状的复杂石墨工件，整个过程在常压下进行，条件温和，不需要大型的压力机或等静压设备，用普通的塑料模具代替造价较高的特种钢模具，形成的石墨工件的尺寸及形状由塑料模具控制，操作灵活，不需二次车削，使制备成本大大降低；根据参数的不同可设计出不同强度及孔隙率的石墨工件产品，抗弯强度为26MPa 30MPa，孔隙率为1% 5% ;石墨工件的制备过程没有经过挤压过程，石墨工件没有裂纹，材料均匀，韧性高。本实施方式的方法可以应用于核工业、航空等前沿部门及普通工业的应用范围，如控制其孔隙率可以制备保温隔热材料，采用封孔及碳化、石墨化处理后又能制备导电传热材料。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤五中所述的封孔处理按以下步骤进行a、把碳化后的石墨件放入温度150°C 16(TC的保温箱内保持2h 4h ;b、把经步骤a处理的石墨件浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为150°C 18(TC、压力为2MPa 5MPa的条件下保持2h 4h ;c、将经步骤b处理的石墨件在温室放置24h 48h ;d、将经步骤c处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min 5°C /min的速率升温至90(TC IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h ;e、将经步骤d处理的石墨件降温至150°C 18(TC时，浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为150°C 18(TC、压力为2MPa 5MPa的条件下保持2h 4h ;f、将经步骤e处理的石墨件在温室放置24h 48h ;g、将经步骤f处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min 5°C /min的速率升温至90(TC IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h，完成封孔处理。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤五中所述的封孔处理按以下步骤进行a、把碳化后的石墨件放入温度155t:的保温箱内保持3h ;b、把经步骤a处理的石墨件浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为16(TC、压力为3MPa的条件下保持3h ;c、将经步骤b处理的石墨件在温室放置36h ;d、将经步骤c处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以4°C /min的速率升温至IOO(TC后保持2h ;e、将经步骤d处理的石墨件降温至170°C时，浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为170°C 、压力为3. 5MPa的条件下保持3. 5h ;f 、将经步骤e处理的石墨件在温室放置40h ;g、将经步骤f处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min的速率升温至105(TC后保持2h，完成封孔处理。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤二中按质量比天然石墨硅溶胶苯酚质量浓度为35% 37%的甲醛碳酸钠水=53 67 :
4. 5 6. 5 :8. 5 11. 5 :15 19 :4. 5 6. 5 :9 18。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤二中按质量比天然石墨硅溶胶苯酚质量浓度为35% 37%的甲醛碳酸钠水=60 :5 :10 :17 :5.5:12。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤三中恒温箱的温度为55°C 70°C。其它与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤三中恒温箱的温度为6(TC。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤三中保温时间为1. 6h 2. 4h。其它与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中保温时间为2h。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九之一不同的是步骤四中以2. 5°C /min 4. 5°C /min的速率升温至950°C 1050°C。其它与具体实施方式
一至九之一相同。
具体实施方式
i^一 本实施方式与具体实施方式
一至十之一不同的是步骤四中以3. 5°C /min的速率升温至IOO(TC。其它与具体实施方式
一至十之一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
一至i^一之一不同的是步骤四中保温时间为1. 6h 2. 4h。其它与具体实施方式
一至i^一之一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十二之一不同的是步骤四中保温时间为2h。其它与具体实施方式
一至十二之一相同。
具体实施方式
十四本实施方式的天然石墨自凝固成型的方法按以下步骤进行一、根据要石墨工件的尺寸及形状设计加工加料口可以密封的塑料模具；二、按质量比为天然石墨硅溶胶苯酚质量浓度为35% 37%的甲醛碳酸钠水=60 :5 :10 :18 :5 :15，将天然石墨、硅溶胶、苯酚、质量浓度为37%的甲醛、碳酸钠和水混合均匀，倒入经步骤一制备的模具中，封闭加料口 ；三、将经步骤二处理的模具放入温度为65t:的恒温箱内保持2h，然后去除模具，得到固化成型的石墨件；四、将经步骤三得到的固化成型的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以5°C /min的速率升温至100(TC后保持2h，得到碳化的石墨件；五、将经步骤四得到的碳化的石墨件进行封孔处理，得到石墨工件。 本实施方式步骤五中所述的封孔处理是这样进行的a、把碳化后的石墨件放入温度16(TC的保温箱内保持2h ;b、把经步骤a处理的石墨件浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为16(TC、压力为3MPa的条件下保持2h ;c、将经步骤b处理的石墨件在温室放置24h ;d、将经步骤c处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以4°C /min的速率升温至100(TC后保持2. 5h ;e、将经步骤d处理的石墨件降温至180°C时，浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为18(TC、压力为4MPa的条件下保持2h ;f、将经步骤e处理的石墨件在温室放置24h ;g、将经步骤f处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min的速率升温至110(TC后保持2h，完成封孔处理。 经本实施方式的步骤四处理后的石墨工件断口的扫描电镜图如图1所示，从图1可以看出，石墨工件内部无裂纹，材料组织均匀，片状石墨层表面均匀分布一些纳米白色粒子，其中一些粒子联成线状，此白色粒可能为硅溶胶及高分子在石墨表面的析晶，起着粘结作用，提高了石墨工件的强度；本实施方式得到的石墨工件的抗弯强度为28MPa，孔隙率为4% ;本实施方式采用溶液法使磷片状天然石墨在高分子溶液中一次成型，通过设计的模具尺寸及形状，天然石墨可形成任意大小及形状的复杂石墨工件，整个过程在常压下进行，条件温和，不需要大型的压力机或等静压设备，用普通的塑料模具代替造价较高的特种钢模具，形成的石墨工件的尺寸及形状由塑料模具控制，操作灵活，不需二次车削，使制备成本大大降低。
权利要求
天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于天然石墨自凝固成型的方法，按以下步骤进行一、根据石墨工件的尺寸及形状设计加工加料口可以密封的塑料模具；二、按质量比为天然石墨硅溶胶苯酚质量浓度为35%～37%的甲醛碳酸钠水=50～704～78～1214～204～78～20，将天然石墨、硅溶胶、苯酚、质量浓度为35%～37%的甲醛、碳酸钠和水混合均匀，倒入经步骤一制备的模具中，封闭加料口；三、将经步骤二处理的模具放在温度为50℃～75℃的恒温箱内保持1.5h～2.5h，然后去除模具，得到固化成型的石墨件；四、将经步骤三得到的固化成型的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2℃/min～5℃/min的速率升温至900℃～1100℃后保持1.5h～2.5h，得到碳化的石墨件；五、将经步骤四得到的碳化的石墨件进行封孔处理，得到石墨工件。
2. 根据权利要求l所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤五中所述的封孔处理按以下步骤进行a、把碳化后的石墨件放入温度150°C 16(TC的保温箱内保持2h 4h ;b、把经步骤a处理的石墨件浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为150°C 180。C、压力为2MPa 5MPa的条件下保持2h 4h ;c、将经步骤b处理的石墨件在温室放置24h 48h ;d、将经步骤c处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min 5°C /min的速率升温至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h ;e、将经步骤d处理的石墨件降温至150°C 18(TC时，浸没于装有中温沥青的高压浸渍釜内，在温度为150°C 18(TC、压力为2MPa 5MPa的条件下保持2h 4h ;f、将经步骤e处理的石墨件在温室放置24h 48h ;g、将经步骤f处理的石墨件放入石墨化炉中，在氮气保护下，以2°C /min 5°C /min的速率升温至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h，完成封孔处理。
3. 根据权利要求1或2所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤二中按质量比为天然石墨硅溶胶苯酚质量浓度为35% 37%的甲醛碳酸钠水=53 67 :4. 5 6. 5 :8. 5 11. 5 :15 19 :4. 5 6. 5 :9 18。
4. 根据权利要求3所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤三中恒温箱的温度为55。C 70。C。
5. 根据权利要求1、2或4所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤三中的保温时间为1. 6h 2. 4h。
6. 根据权利要求1、2或4所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤三中的保温时间为2h。
7. 根据权利要求5所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤四中以2.5tVmin 4. 5°C /min的速率升温至950°C 1050°C。
8. 根据权利要求5所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤四中以3.5tVmin的速率升温至IOO(TC。
9. 根据权利要求1、2、4或7所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤四中的保温时间为1. 6h 2. 4h。
10. 根据权利要求1、2、4或7所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步骤四中的保温时间为2h。
全文摘要
天然石墨自凝固成型的方法，它涉及石墨成型的方法。本发明解决了现有的石墨热压成型方法的条件苛刻、产品形状及尺寸受热压炉大小所控制、需要进行二次切削加工、成本高及石墨冷成型方法的易产生裂纹、韧性低的问题。本方法按石墨工件的外形及尺寸设计加工塑料模具，再将天然石墨、硅溶胶、苯酚、甲醛、碳酸钠和水混合后加入模具并封闭加料口，然后经固化、碳化和封孔处理后，得到石墨工件。本发明使天然石墨在高分子溶液中一次成型，过程在常压下进行，条件温和，形成的石墨工件的尺寸及形状由塑料模具控制，成本低；抗弯强度为26MPa～30MPa，孔隙率为1%～5%，无裂纹。本方法可用于核工业、航空及普通工业领域。
文档编号B28B1/14GK101774210SQ201010136900
公开日2010年7月14日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者张海军, 赵国刚 申请人:黑龙江科技学院