一种制备TiB₂-C_sf-碳复合材料的方法

专利名称：一种制备TiB₂-C_sf-碳复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及ー种短切碳纤维增强TiB2-碳复合材料的制备方法，属于纤维增强复合材料制备领域。
背景技术：
随着世界能源日趋紧张和环境保护要求日益严格，铝电解エ业的高能耗和环境污染问题愈来愈受到极大的重视，现已成国际铝业界关注的焦点。传统电解铝エ业一直沿袭使用的是碳素阴极材料。其存在许多缺点能耗较高，产物污染环境，碳素阴极易受铝液侵蚀等。此外，由于铝液不能润湿碳素阴极，不仅导致极距上升，耗电量巨大，而且在电解过程中电解质很容易滲透到碳素阴极内部，造成电解质对碳素阴极的侵蚀，最终导致电解槽阴极破损，被迫停炉检修和更换阴扱，造成很大的经济损失。近年来，国内外铝エ业界一致认为采用惰性阳极和惰性可润湿性阴极可有效克服传统电解铝阴极材料的缺点，提高生产率，达到节能环保的目标。国内外的许多研究表明ニ硼化钛(TiB2)具有很好的导电性，较强的耐高温、抗腐蚀性，对铝液湿润性能好，与铝液的接触电阻小，且几乎不吸收电解质成分，是ー种较理想的隋性可润湿阴极材料。Tm2可润湿性阴极可使铝电解的极距缩短至2mm 2. 5mm,同时减少阴极上的铝液层，从而减小磁场对电解过程的干扰，减少电解槽底电解质的沉淀，増大产铝量，提高电流效率，明显降低电解铝的成本，延长电解槽寿命。但是纯材料由于熔点高和扩散系数低而难以烧结致密，同时由于化学键特性的差异，在烧结过程中其晶粒沿C 轴方向的生长速度显著高于其它方向，导致晶粒异常长大使材料性能劣化；另ー方面，其脆性大、抗热震性差、不易加工等缺陷限制了纯阴极材料的推广应用。因此，将11 与碳复合，制备出结合两者优点而克服其不足的复合陶瓷材料，降低了对TU2原料纯度的要求， 大幅降低成本，成型性好，易加工，而且还不会影响材料的导电性，可作为电解铝惰性可润湿性阴极材料。近年来，国内外众多研究者对TiB2-碳复合材料进行了广泛研究。但受限于传统铝电解槽的整体阴极结构，研究工作主要集中在TiB2-碳涂层方面，这种涂层材料制备过程简单，可以方便地涂敷在碳素材料基体上，经热处理后即可投入使用，因而被广泛地研究和使用。它具有可与金属相比拟的良好导电性、较强的抗金属铝液和氟化盐熔体腐蚀性能， 并且能被熔融铝液良好润湿，从而改变阴极表面的润湿环境。但是其存在易磨损、易破损、 机械强度差等诸多缺点，限制了其进ー步推广应用。而新型铝电解槽的独立阴极结构使得 TiB2-碳复合材料的应用成为可能，目前国内外主要采用无压烧结技术来制备TiB2-碳复合材料，并添加一定量树脂作为添加剤。李庆余等采用无压烧结制备了电解铝用TiB2-碳复合阴极材料，其中含量为70. 95wt%，复合树脂为3. 5wt%。但材料致密度低，力学性能较差，在使用过程中易破损。大量研究表明，引入纤维作为增强相是实现陶瓷材料强韧化的有效方法，使用短切碳纤维作为增强相，有制备エ艺简单、无需編制缠绕，制备成本低等优点。 到目前为止，对于热压烧结法制备TiB2-Csf-碳复合材料的研究尚未见报道。

发明内容
本发明的目的是提供一种制备T i&-Csf-碳复合材料的方法，该方法得到的 TiB2-Csf-碳复合材料的断裂韧性高。为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种制备Ti&-Csf-碳复合材料的方法，其特征在于它包括如下步骤1)、Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 25 30， 将短切碳纤维与丙酮混合，充分搅拌，室温下静置M 4 后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，获得处理后的短切碳纤维；2)、按各原料所占的重量百分数为11 粉67. 2 75wt%、石墨粉22. 2 30wt%、处理后的短切碳纤维2. 8 3. 2wt% ；称取粉、石墨粉和处理后的短切碳纤維；3)、按湿混介质与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为15 20 1，将粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维中加入湿混介质搅拌超声分散1.5 池， 再置于球磨罐中(球料比为4 5 1，球磨介质是ZiO2球)，球磨混合均勻(球磨10 12h)，得到浆料A ；将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；4)、将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1850°C 1950°C，保温时间为Ih 1.证，保持25 30ΜΙ^轴向压力至烧结完成，然后随炉冷却，得到TiB2-Csf-碳复合材料。步骤1)所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm， 纤维直径为7 μ m。步骤2)所述的Tm2粉末平均粒径为6 μ m,石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为 15 μ m。步骤3)所述的湿混介质为无水乙醇，还可使用不含水的有机溶剤，例如甲醇、异丙醇或甲苯等。步骤3)所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为1000 800W。本发明具有以下有益效果1、ニ硼化钛(TiB2)是ー种较理想的隋性可润湿阴极材料，但是无压烧结制备的 TiB2-碳复合材料因为力学性能差而限制了其进ー步的应用，本发明采用热压烧结法制备出Csf增强的TiB2-碳复合材料，在不改变TiB2-碳复合材料电阻率(80 μ Ω · cm)、相对密度(95% )、抗弯强度(IlOMPa)等性能指标的前提下，使其断裂韧性提高了 40%，可以作为可润湿惰性阴极材料应用于新型电解铝槽中。2、本发明制备ェ艺简单，可操作性強，制备成本低，可迅速制备出符合使用要求的 TiB2-Csf-碳复合材料，采用热压烧结炉作为热处理炉，具有一定的普遍性，适用于实验室以及ェ业生产。


图1 (a)为经过湿混干燥后的混合原料粉末的SEM照片；图1 (b)为本发明实施例4中制得的TiB2-Csf-碳复合材料的断面SEM照片；图1 (c)为本发明实施例6中制得的TiB2-Csf-碳复合材料的断面SEM照片；图2为本发明实施例4中制得的TiB2-Csf-碳复合材料的XRD图谱。图3为本发明实施例1 6中所制得的TiB2-Csf-碳复合材料的相对密度变化图。图4为本发明实施例1 6中所制得的Ti&-Csf-碳复合材料抗弯强度和断裂韧性变化图。图1 (a)为经过湿混干燥后的混合粉末的SEM照片，图中未观察到纤维团聚现象。 说明湿混球磨的混料方法可以均勻地将短切碳纤维分散在粉末中。图3为本发明实施例1 6中所制得的TiB2-Csf-碳复合材料的相对密度变化图， 说明在短切碳纤维含量较少时，纤维含量对材料的相对密度影响不大，而均勻分散的短切碳纤维可以起到填充孔隙的作用，使材料致密度略微提高，随着短切碳纤维含量的増加，由于纤维之间的桥接作用的加强，导致材料孔隙率上升，相对密度急剧下降。图4为本发明实施例1 6中所制得的Ti&-Csf-碳复合材料抗弯强度和断裂韧性变化图。说明随着短切碳纤维含量的増加，由于材料孔隙率上升，材料的抗弯强度下降， 而随着纤维含量増加，纤维在材料断裂时通过拔断和拔出的机制消耗了断裂功，显著提高了材料的断裂韧性。但是当纤维含量过大吋，由于材料中孔隙的增多，材料断裂韧性下降。图3和图4说明在实施例1 6中Ti&-Csf-碳复合材料中短切碳纤维增强的最佳含量为3wt%，同时进ー步佐证当纤维含量高于或者低于2. 8 3. 2wt%含量范围时，材料综合性能变差。
具体实施例方式为了更好地理解本发明，下面结合附图、实施例进ー步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。以下实施例中，相对密度、抗弯强度和断裂韧性的測量标准是(1)试样的相对密度是用试样的体积密度除以试样的理论密度，试样的理论密度根据原料配比和各原料自身的理论密度即可计算出来，体积密度用阿基米德法測定，计算公式为
干·、P水—P空气) ρ =-:~:-+厂空气
‘0.99983(m干-ms)‘其中ρ为试样体积密度，mT为试样完全干燥后在空气中的重量，mff为试样用水煮沸 30min后在水中的重量，Pボ为室温下水的密度，P 为室温下空气的密度。(2)试样的抗弯强度由美国MTS公司生产的MTS-810型陶瓷试验系统通过三点弯曲法来測定，试样尺寸为3mmX4mmX36mm，跨距为20mm，加载速率为0. 5mm/min。(3)试样的断裂韧性用单边切ロ梁法来测定，跨距为16mm，试样尺寸 2. 5mmX5mmX 25mm,在5mm截面上切ー宽为0. 2mm,深为2. 5mm的切ロ。实施例1 (该实施例为对比实例，即不采用本发明的短切碳纤维)
以粉末、石墨粉为原料，按各原料的重量百分数称取粉末11 粉末70wt%、 石墨粉30wt% ；所述的11 粉末平均粒径为6 μ m，石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为 15 μ m ；将粉、石墨粉加入无水乙醇搅拌超声分散1. 5 池(按无水乙醇与粉和石墨粉总质量的质量比为15 20 1，所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比为4 5 1，球磨介质是ZrO2球)，球磨IOh 1 混合均勻，得到浆料A，将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为 1850°C，压カ为30MPa，保温lh，然后随炉冷却，得到TiB2-碳复合材料。测定TiB2-碳复合材料的相对密度为95. 43%，电阻率为75. 32 μ Ω ·αιι，抗弯强度为107. 5MPa,断裂韧性为2. 63MPa · m1/2。实施例2(该实施例为对比实例，即不采用本发明的短切碳纤维的量)Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 25 30，将短切碳纤维与丙酮混合，充分搅拌，室温下静置M 48h后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，获得处理后的短切碳纤维；所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。以粉末、石墨粉和处理后的短切碳纤维为原料，按各原料的重量百分数称取粉末11 粉末70wt%、石墨粉，处理后的短切碳纤维所述的粉末平均粒径为6 μ m,石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m ；将粉、石墨粉和和处理后的短切碳纤维(Csf)加入无水乙醇搅拌超声分散1. 5 2h(按无水乙醇与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为15 20 1，所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比为4 5 1，球磨介质是ZrO2球)， 球磨IOh Ia1混合均勻，得到浆料A，将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1850°C，压カ为30MPa，保温lh，然后随炉冷却，得到TiB2-Csf-碳复合材料。测定TiB2-Csf-碳复合材料的相对密度为95. 42%,电阻率为78. 75 μ Ω · cm，抗弯强度为:108. 3MPa，断裂韧性为2. 76MPa · m1/2。实施例3(该实施例为对比实例，即不采用本发明的短切碳纤维的量)Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 25 30，将短切碳纤维与丙酮混合，充分搅拌，室温下静置M 48h后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，获得处理后的短切碳纤维；所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。以粉末、石墨粉和处理后的短切碳纤维为原料，按各原料的重量百分数称取粉末11 粉末70wt%、石墨粉，处理后的短切碳纤维2wt%;所述的粉末平均粒径为6 μ m,石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m ；将粉、石墨粉和和处理后的短切碳纤维加入无水乙醇搅拌超声分散1. 5 2h (按无水乙醇与TiB2粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为15 20 1，所述的超声分散的频率为25 30KHz， 功率为1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比为4 5 1，球磨介质是ZrO2球)，球磨 IOh Ia1混合均勻，得到浆料A，将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1850°C，压カ为30MPa，保温lh，然后随炉冷却，得到Ti&-Csf-碳复合材料。测定TiB2-Csf-碳复合材料的相对密度为95. 65%,电阻率为80. 02 μ Ω · cm，抗弯强度为:112. 3MPa，断裂韧性为2. 97MPa · m1/2。实施例4(为采用本发明短切碳纤维的量的实施例)一种制备Ti&-Csf-碳复合材料的方法，它包括如下步骤1) ,Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 28，将短切碳纤维与丙酮混合，搅拌，室温下静置3 后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维4 次，然后置于真空干燥箱中于70°C下干燥36h，获得处理后的短切碳纤维；所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。2)、按各原料所占的重量百分数为11 粉70wt%、石墨粉27wt%、处理后的短切碳纤维3wt% ；称取粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维；所述的11 粉末平均粒径为6 μ m，石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m。3)、按湿混介质与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为 18 1，将粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维中加入湿混介质搅拌超声分散1.8h，再置于球磨罐中(球料比为4. 5 1，球磨介质是ZiO2球)，球磨混合均勻(球磨Ilh)，得到浆料A ；将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1.他，然后放入真空干燥箱中于70°C下干燥36h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；所述的湿混介质为无水乙醇。所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为 1000 800ffo4)、将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1850°C，保温时间为lh，保持30MI^轴向压力至烧结完成，然后随炉冷却，得到Tm2-Csf-碳复合材料。测定Ti&-Csf-碳复合材料的相对密度为95. 83%,电阻率为82. 71 μ Ω · cm，抗弯强度为:115. 9MPa,断裂韧性为3. 85MPa · m1/2。本实施例中，Csf含量若过少(低于2.8wt% )，则对复合材料增韧效果不明显，Csf 含量若过多(高于3. 2wt% )，则造成复合材料致密度下降，力学性能下降。实施例5 (该实施例为对比实例，即不采用本发明的短切碳纤维的量)Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 25 30，将短切碳纤维与丙酮混合，充分搅拌，室温下静置M 48h后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，获得处理后的短切碳纤维；所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。
以粉末、石墨粉和处理后的短切碳纤维为原料，按各原料的重量百分数称取粉末11 粉末70wt%、石墨粉，处理后的短切碳纤维4wt%;所述的粉末平均粒径为6 μ m,石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m ；将粉、石墨粉和和处理后的短切碳纤维加入无水乙醇搅拌超声分散1. 5 2h (按无水乙醇与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为15 20 1，所述的超声分散的频率为25 30KHz， 功率为1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比为4 5 1，球磨介质是ZrO2球)，球磨 IOh Ia1混合均勻，得到浆料A，将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1850°C，压カ为30MPa，保温lh，然后随炉冷却，得到Ti&-Csf-碳复合材料。测定Ti&-Csf-碳复合材料的相对密度为95. 19%,电阻率为89. 63 μ Ω · cm，抗弯强度为99. 58MPa，断裂韧性为3. 67MPa · m1/2。实施例6(该实施例为对比实例，即不采用本发明的短切碳纤维的量)Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 25 30，将短切碳纤维与丙酮混合，充分搅拌，室温下静置M 48h后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，获得处理后的短切碳纤维；所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。以粉末、石墨粉和处理后的短切碳纤维为原料，按各原料的重量百分数称取粉末11 粉末70wt%、石墨粉25wt%，处理后的短切碳纤维5wt%;所述的粉末平均粒径为6 μ m,石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m ；将粉、石墨粉和和处理后的短切碳纤维加入无水乙醇搅拌超声分散1. 5 2h (按无水乙醇与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为15 20 1，所述的超声分散的频率为25 30KHz， 功率为1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比为4 5 1，球磨介质是ZrO2球)，球磨 IOh Ia1混合均勻，得到浆料A，将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1850°C，压カ为30MPa，保温lh，然后随炉冷却，得到Ti&-Csf-碳复合材料。测定TiB2-Csf-碳复合材料的相对密度为94. 04%,电阻率为105. 6 μ Ω · cm，抗弯强度为77. 4MPa，断裂韧性为3. 39MPa · m1/2。实施例7(该实施例为对比实例，即不采用本发明的短切碳纤维)以粉末、石墨粉为原料，按各原料的重量百分数称取粉末11 粉末75wt%、 石墨粉25wt% ；所述的11 粉末平均粒径为6 μ m，石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为 15 μ m ；将粉、石墨粉加入无水乙醇搅拌超声分散1. 5 池(按无水乙醇与粉和石墨粉总质量的质量比为15 20 1，所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比为4 5 1，球磨介质是ZrO2球)，球磨IOh 1 混合均勻，得到浆料A，将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1950°C，压カ为25MPa，保温1. 5h，然后随炉冷却，得到TiB2-碳复合材料。测定TiB2-Csf-碳复合材料的相对密度为96. 01%,电阻率为:73.27 μ Ω · cm,抗弯强度为:100. 4MPa,断裂韧性为2. 7MPa · m1/2。实施例8 (为采用本发明短切碳纤维的量的实施例)一种制备Ti&-Csf-碳复合材料的方法，它包括如下步骤1) ,Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 27，将短切碳纤维与丙酮混合，搅拌，室温下静置40h后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维4 次，然后置于真空干燥箱中于70°C下干燥40h，获得处理后的短切碳纤维；所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。2)、按各原料所占的重量百分数为11 粉75wt%、石墨粉22. 2wt%、处理后的短切碳纤维2. Swt % ；称取11 粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维；所述的粉末平均粒径为6 μ m,石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m。3)、按湿混介质与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为 17 1，将粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维中加入湿混介质搅拌超声分散1.7h，再置于球磨罐中(球料比为4. 5 1，球磨介质是ZiO2球)，球磨混合均勻(球磨Ilh)，得到浆料A ；将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 7h，然后放入真空干燥箱中于70°C下干燥40h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；所述的湿混介质为无水乙醇。所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为1000 800W。4)、将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1950°C，保温时间为1.5h，保持25MI^轴向压力至烧结完成，然后随炉冷却，得到Tm2-Csf-碳复合材料。测定Ti&-Csf-碳复合材料的相对密度为96. 27%，电阻率为87. 6μ Ω ·αιι，抗弯强度为:113. 37MPa，断裂韧性为3. 8IMPa · m1/2。实施例9 (为采用本发明短切碳纤维的量的实施例)一种制备TU2-Csf-碳复合材料的方法，它包括如下步骤1) ,Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 25，将短切碳纤维与丙酮混合，充分搅拌，室温下静置24h后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维3次，然后置于真空干燥箱中于60°C下干燥Mh，获得处理后的短切碳纤维；所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。2)、按各原料所占的重量百分数为11 粉67. 2wt%、石墨粉30wt%、处理后的短切碳纤维2. Swt % ；称取11 粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维；所述的11 粉末平均粒径为6 μ m，石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m。3)、按湿混介质与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为 15 1，将粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维中加入湿混介质搅拌超声分散1.5h，再置于球磨罐中(球料比为4 1，球磨介质是ZiO2球)，球磨混合均勻(球磨IOh)，得到浆料 A ；将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1.釙，然后放入真空干燥箱中于60°C下干燥Mh，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；所述的湿混介质为甲醇。所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为1000 800W。4)、将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1850°C，保温时间为lh，保持25MI^轴向压力至烧结完成，然后随炉冷却，得到Tm2-Csf-碳复合材料。测定TiB2-Csf-碳复合材料的相对密度为95. 69%,电阻率为75. 51 μ Ω · cm，抗弯强度为110. 72MPa，断裂韧性为3. 84MPa · m"2。实施例10 (为采用本发明短切碳纤维的量的实施例)一种制备Ti&-Csf-碳复合材料的方法，它包括如下步骤1) ,Csf的表层除胶预处理按短切碳纤维(Csf)与丙酮的体积比为1 30，将短切碳纤维与丙酮混合，充分搅拌，室温下静置4 后过滤(除掉滤液)，用蒸馏水冲洗短切碳纤维5次，然后置于真空干燥箱中于80°C下干燥48h，获得处理后的短切碳纤维；所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维(PAN)，规格为6K，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。2)、按各原料所占的重量百分数为11 粉67.2wt%、石墨粉29.6wt%、处理后的短切碳纤维3. 2wt% ；称取11 粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维；所述的11 粉末平均粒径为6 μ m，石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m。3)、按湿混介质与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为 20 1，将粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维中加入湿混介质搅拌超声分散池，再置于球磨罐中(球料比为5 1，球磨介质是ZrO2球)，球磨混合均勻(球磨12h)，得到浆料A ； 将浆料A在旋转蒸发仪上干燥池，然后放入真空干燥箱中于80°C下干燥48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；所述的湿混介质为异丙醇。所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为1000 800W。4)、将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1950°C，保温时间为1.5h，保持30MI^轴向压力至烧结完成，然后随炉冷却，得到Tm2-Csf-碳复合材料。测定Ti&-Csf-碳复合材料的相对密度为95. 64%，电阻率为77. 9μ Ω .cm,抗弯强度为:112. 35MPa，断裂韧性为:3. 84MPa · m"2。
权利要求
1.一种制备Tm2-Csf-碳复合材料的方法，其特征在于它包括如下步骤1)、csf的表层除胶预处理按短切碳纤维与丙酮的体积比为1 25 30，将短切碳纤维与丙酮混合，搅拌，室温下静置M 4 后过滤，用蒸馏水冲洗短切碳纤维3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，获得处理后的短切碳纤维；2)、按各原料所占的重量百分数为=TiB2粉67.2 75wt%、石墨粉22. 2 30wt%、 处理后的短切碳纤维2. 8 3. 2wt% ；称取粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维；3)、按湿混介质与粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维总质量的质量比为15 20 1，将粉、石墨粉和处理后的短切碳纤维中加入湿混介质搅拌超声分散1.5 池， 再置于球磨罐中，球磨混合均勻，得到浆料A ；将浆料A在旋转蒸发仪上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末经研磨，过100目筛，得到混合均勻的粉末；4)、将混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，并充入氩气作为保护气氛，烧结温度为1850°C 1950°C，保温时间为Ih 1. 5h，保持25 30ΜΙ^轴向压カ至烧结完成，然后随炉冷却，得到TiB2-Csf-碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的ー种制备Tm2-Csf-碳复合材料的方法，其特征在于步骤1) 所述的短切碳纤维为聚丙烯睛碳纤维，规格为6Κ，平均长度为2mm，纤维直径为7 μ m。
3.根据权利要求1所述的ー种制备Tm2-Csf-碳复合材料的方法，其特征在于步骤2) 所述的Tm2粉的平均粒径为6 μ m ；石墨粉为市售超细石墨粉，平均粒径为15 μ m。
4.根据权利要求1所述的ー种制备Tm2-Csf-碳复合材料的方法，其特征在于步骤3) 所述的湿混介质为无水乙醇、甲醇、异丙醇或甲苯。
5.根据权利要求1所述的ー种制备Tm2-Csf-碳复合材料的方法，其特征在于步骤3) 所述的超声分散的频率为25 30KHz，功率为1000 800W。
全文摘要
本发明涉及一种短切碳纤维增强TiB2-碳复合材料的制备方法。一种制备TiB2-Csf-碳复合材料的方法，其特征在于它包括如下步骤1)Csf的表层除胶预处理将短切碳纤维与丙酮混合；2)按各原料所占的重量百分数为TiB2粉67.2～75wt％、石墨粉22.2～30wt％、处理后的短切碳纤维2.8～3.2wt％；称取；3)超声分散、球磨、干燥，过筛，得到混合均匀的粉末；4)将混合均匀的粉末放入石墨模具中，烧结，得到TiB2-Csf-碳复合材料。该制备方法工艺简单、成本低，本发明制备的TiB2-Csf-碳复合材料，在不改变TiB2-碳复合材料导电性，相对密度，抗弯强度等性能指标的前提下，使其断裂韧性提高了40％，可应用于铝电解槽内惰性可润湿性阴极材料。
文档编号C04B35/80GK102531657SQ20121000202
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月5日 优先权日2012年1月5日
发明者傅正义, 王为民, 王玉成, 王皓, 费俊杰 申请人:武汉理工大学