一种碳结合碳化硼、石墨复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法，属于高性能结构及功能材料领域，属于核防护及控制材料技术领域。
【背景技术】
[0002]碳化硼材料为非金属，难熔、极难烧结的化合物，其硬度仅次于金刚石及立方氮化硼的超硬人造材料之一。碳化硼材料具有密度低、高硬度、化学稳定性好、高耐磨损、高耐热冲击、高的热中子吸收等性能，在现代制造、核能、国防军工、冶金、精细化工等领域得以广泛的应用。石墨是碳质元素结晶矿物，是碳的同素异形体，熔点高，导电性能优良、导热性好。热膨胀系数低、具有润滑性，慢化中子特性，主要应用于核能领域中的密封材料、反应堆堆心结构材料、原子能反应堆中的减速材料、电池电极等。
[0003]随着现代科学技术的发展，特别是第四代先进核反应堆的研究开发，需要将反应堆中的中子慢化减速、并且吸收掉，在整个过程中不能产生二次污染，达到清洁、可靠地控制核裂变速度和反应堆停堆的需求，本发明制备的碳结合碳化硼、石墨复合材料完全能够满足这种需求，而且具有成本低、稳定性和可靠性高的特点。
[0004]尽管国内外对碳化硼、石墨复合材料制备技术做过较多的研究，但是性能的可靠性、产业化的可行性都存在大量的问题，特别是碳结合碳化硼、石墨复合材料制备技术方面。
【发明内容】
[0005]本发明针对国内对制备碳化硼、石墨复合材料难题和碳结合技术，提供一种碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法。其原理是基于碳化硼与石墨极难结合，特别是这种复合材料中不允许有除碳化硼、碳以外的其它元素，所以只能采用多种碳的同素异形体作为结合剂，为碳化硼、石墨复合材料的制备带来了难度。
[0006]本发明的技术方案是这样实现的:一种碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法，步骤如下:1)将酚醛树脂、碳化硼粉末、石墨粉末与无水乙醇按比例混合，在造粒设备中进行造粒；2)坯体多次成型:将造粒料添加到模具中进行多次坯体成型，成型的顺序是先常压成型，后真空环境下加压成型；3)气氛烧结:将成型坯体放入气氛烧结炉中，进行气氛烧结，实现碳结合和增强。
[0007]进一步地，配方为:酚醛树脂10?25%，碳化硼粉末5?30%，石墨粉末60_85%，无水乙醇加入量为(碳化硼粉末重量+石墨粉末的重量)的1.5?2.5倍。
[0008]进一步的造粒方法为:混合后的料浆通过专用造粒机造粒后，得到流动性很好的碳化硼粉末、石墨粉末、酚醛树脂分布均匀呈球体形状的造粒料，造粒料的颗粒粒径
600 μ mD
[0009]进一步地，坯体多次成型方法为:造粒料在模具中进行不同环境下的多次成型，其顺序为:先是在常压环境下进行预成型，成型压力为30?70MPa ;然后在真空度为彡150Pa的真空环境下、成型压力为200?300MPa成型。
[0010]进一步地，气氛烧结技术为:升温过程中氮气、氩气或氦气的一种以10?15L/min的流量在炉内流动，气氛烧结时充入氮气、氩气或氦气的一种与甲烧、乙稀或丙烧的一种质量比例为1.5?2.5/1的混合气体，气氛烧结的温度为850?1300°C，保温保压10?15h。
[0011]进一步地，碳化硼粉末的“1(:硼”同位素的丰度为彡19.6%;石墨粉末的纯度彡99.8%、颗粒尺寸彡120um。
[0012]进一步地，采用该发明制备的碳结合碳化硼、石墨复合材料的体积密度多1.87g/cm3、抗压强度彡55MPa、导热系数彡35W/M.°C。
[0013]本发明的有益效果为:本发明一方面是利用酚醛树脂、多种含碳气体经过温度、压力的作用下形成多种碳的同素异形体，将碳化硼粉末、石墨粉末牢固地结合在一起；另一方面采用不同环境下的多次成型，提高材料的成型密度，达到提高产品性能的目的。通过该方法制备的碳结合碳化硼、石墨复合材料的体积密度多1.87g/cm3、抗压强度多55MPa、导热系数多35W/M.°C。是用于中子减速、吸收及控制裂变速度、屏蔽中子的理想材料。
【具体实施方式】
[0014]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步解释说明。
[0015]实例1:将碳化硼粉末粒度分布为D3< 45 μ m、D 5。=10± 1.0 μ m、D94彡1.3μπι，重量为7%，石墨粉末粒度分布为Dq< 100 μ m,重量为80%，酚醛树脂重量为13%，加入碳化硼和石墨总重量2倍的无水乙醇，充分混合。通过专用造粒机造粒处理后，制备出碳化硼、石墨、酚醛树脂团聚体呈球形的造粒料，造粒料的颗粒粒径< 600 μ m。然后采用坯体多次成型方法，将造粒料在模具中进行不同环境下的多次成型，其顺序为:先是在常压环境下进行预成型，成型压力为30?70MPa ;然后在真空度为彡150Pa的真空环境下、成型压力为200?300MPa成型，得到圆柱形坯体。然后采用气氛烧结，升温过程中氮气、氩气或氦气的一种以10?15L/min的流量在炉内流动，气氛烧结时充入氮气、氩气或氦气的一种与甲烧、乙稀或丙烷的一种质量比例为1.5?2.5/1的混合气体，气氛烧结的温度为850?1300°C，保温保压10?15h，烧结完毕后，自然降温冷却。
[0016]
实例2:将碳化硼粉末粒度分布为D3< 30μπκ D5Q=7±0.8μπκ D94彡Ι.Ομπι，重量为27%，石墨粉末粒度分布为Dq< 80 μ m,重量为63%，酚醛树脂重量为10%，加入碳化硼和石墨总重量1.8倍的无水乙醇，充分混合。通过专用造粒机造粒处理后，制备出碳化硼、石墨、酚醛树脂团聚体呈球形的造粒料，造粒料的颗粒粒径< 400 μπι。然后采用坯体多次成型方法，将造粒料在模具中进行不同环境下的多次成型，其顺序为:先是在常压环境下进行预成型，成型压力为30?70MPa ;然后在真空度为彡150Pa的真空环境下、成型压力为200?300MPa成型，得到圆柱形坯体。然后采用气氛烧结，升温过程中氮气、氩气或氦气的一种以10?15L/min的流量在炉内流动，气氛烧结时充入氮气、氩气或氦气的一种与甲烧、乙稀或丙烷的一种质量比例为1.5?2.5/1的混合气体，气氛烧结的温度为850?1300°C，保温保压10?15h，烧结完毕后，自然降温冷却。
[0017]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法，其特征在于，步骤如下: 1)将酚醛树脂、碳化硼粉末、石墨粉末与无水乙醇按比例混合，造粒； 2)将造粒料添加到模具中进行多次坯体成型，成型的顺序是先常压成型，后真空环境下加压成型； 3)将成型坯体放入气氛烧结炉中，进行气氛烧结，以实现碳结合和增强。2.根据权利要求1所述的碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法，其特征在于，原料的配方为:酚醛树脂10?25%，碳化硼粉末5?30%，石墨粉末60?85%，无水乙醇加入量为碳化硼和石墨重量的1.5?2.5倍。3.根据权利要求2所述的碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法，其特征在于，造粒料的颗粒粒径< 600 μ m。4.根据权利要求3所述的碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法，其特征在于，造粒料在模具中进行不同环境下的多次成型，其顺序为:先是在常压环境下进行预成型，成型压力为30?70MPa ;然后在真空度为彡150Pa的真空环境下成型，成型压力为200?300MPa。5.根据权利要求4所述的碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法，其特征在于，气氛烧结升温过程中氮气、氩气或氦气的一种以10?15L/min的流量在炉内流动，气氛烧结时充入氮气、氩气或氦气的一种与甲烷、乙烯或丙烷的一种质量比例为1.5?2.5/1的混合气体，气氛烧结的温度为850?1300°C，保温保压10?15h，烧结完毕后，泄压、关闭气体、加热电源、循环水，自然降温冷却。6.根据权利要求1所述的碳结合碳化硼、石墨复合材料制备方法，其特征在于，所述碳化硼粉末的“1<]硼”同位素的丰度为彡19.6% ;石墨粉末的纯度彡99.8%、颗粒尺寸彡120um。
【专利摘要】本发明公开了一种碳结合碳化硼、石墨复合材料的制备方法。将不同粒度分布的碳化硼粉末、石墨粉末与无水乙醇、酚醛树脂充分混合，造粒，通过多次预成型及一次终成型的方法，提高成型坯体的密度。将成型坯体放入真空气氛烧结炉中充入氮气、氩气或氦气的一种与甲烷、乙烯或丙烷的一种混合气体进行增强烧结。利用酚醛树脂与碳化硼粉末、石墨粉末的充分混合，使得碳化硼颗粒与石墨粉末的颗粒表面形成一定厚度的酚醛树脂膜，通过压力及固化实现酚醛树脂将碳化硼粉末颗粒、石墨粉末颗粒初步结合,然后坯体通过高温烧结，使酚醛树脂转变为碳连接，充入气体也转变为碳，渗入到坯体孔洞中，实现对坯体进一步的致密化和增强。
【IPC分类】C04B35/634, C04B35/52
【公开号】CN105294105
【申请号】CN201510876836
【发明人】刘君, 王彦顺, 曹仲文
【申请人】大连金玛硼业科技集团有限公司
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年12月3日