一种高抗热震碳化硅复合陶瓷换热器管及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高抗热震碳化娃复合陶瓷换热器管及其制备方法，属于陶瓷制备
技术领域。
【背景技术】
[0002] 换热器管是换热器的核屯、部件，其热导率的高低决定着换热器换热效率的高低， 其耐腐蚀性决定着换热器耐腐蚀性，其耐高溫性影响着换热器的耐高溫性，其抗热震性能 的好坏将直接影响着换热器的使用寿命。
[0003] 陶瓷W高硬度、高强度、耐高溫、耐腐蚀及良好的化学稳定性等优点而备受人们青 睐，尤其是在高溫工程领域有着广泛的应用，如高溫害具、发动机满轮片、高溫轴承、燃气喷 管、高溫过滤器、陶瓷隔热瓦、陶瓷换热器等，陶瓷材料主要是由离子键、共价键，或者他们 的混合键组成。陶瓷材料再生产和使用过程中都要受到一定溫度变化的影响，只是溫度骤 变的程度各不相同，材料承受溫度骤变而不致破坏的能力称之为抗热震性或抗热冲击性。 陶瓷材料最明显的弱点是脆性大，也即抗热震性差，而且导热性能差、弹性模量大，容易导 致材料的失效或破坏。
[0004] 目前，换热器管的材质为不诱钢、碳质和陶瓷材料等。不诱钢材质换热管使用溫度 低于800°C，耐酸碱腐蚀性差;石墨耐腐蚀性好但热导率低、强度低、抗氧化性能差，运使得 碳质材料换热管换热效率低，易损坏，而且不能在高溫氧化气氛下使用，一般在低溫环境获 保护气氛下的高溫环境应用。陶瓷换热管具有高溫强度高，抗氧化、抗热震性能好、寿命长 等优点，因而广泛用于冶金、石化、食品、制药等行业。目前产用制作陶瓷换热管的陶瓷材料 主要有堇青石、莫来石、高侣石、焦宝石、碳化娃等，由于堇青石、莫来石、高侣石、焦宝石等 材料制备的换热器管抗热震性能差、耐腐蚀性能差的问题。
[0005] 因此，研究一种兼具抗热震性及耐腐蚀性的换热器管是目前陶瓷换热器管需要解 决的一个技术难题。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种高抗热震碳化娃复合陶瓷换热器管，该方 法具有具有制备工艺简单、生产效率高、成本低，生产的产品具有热导率高、耐腐蚀、耐高 溫、抗热震性好、热膨胀系数低的特性，可广泛用于冶金、电力、化工等强腐蚀性液体的换热 领域。
[0007] 本发明的技术方案为：
[000引一种高抗热震碳化娃复合陶瓷换热器管，采用碳化娃泥料为原料制得，所述的碳 化娃泥料原料组分及其重量百分比组成如下：碳化娃微粉50%~70%、短切碳纤维10%~ 20%、炭黑2%~9%、石墨3%~10%、粘合剂2%~9%，润滑剂0.5%~2%，去离子水8%~ 20%，各组分重量百分比之和为100%。
[0009]本发明优选的，所述的粘合剂为聚乙締醇、聚乙二醇或甲基纤维素中的一种或两 种w上的混合物。
[0010] 本发明优选的，所述的润滑剂为甘油、油酸或植物油中的一种或两种W上的混合 物。
[0011] 本发明优选的，所述的润滑剂为甘油和/或油酸。
[0012] 本发明优选的，所述的植物油为花生油。花生油为现有技术，市售产品。
[0013] 本发明优选的，所述的碳化娃泥料原料组分及其重量百分比组成如下：碳化娃微 粉55 %~65 %、短期碳纤维12%~18%、炭黑3%~8 %、石墨4 %~9 %、粘合剂3 %~8 %，润 滑剂0.5 %~2%，去离子水8 %~20 %。
[0014] 本发明优选的，所述的短切碳纤维直径为6~20μπι，平均长度为3~10mm。
[0015] 本发明优选的，所述的短切碳纤维按如下处理方法得到，将短切碳纤维于1200~ 1800°C的氣气气氛中进行热处理，W去除表面金属离子及杂质，然后用丙酬在超声波中清 洗至表面无胶，清洗完后在烘箱中烘至丙酬完全挥发;然后处理后的短切碳纤维于分散剂 溶液中浸泡10~25小时后，用蒸馈水清洗净后烘干，即得。
[0016] 本发明优选的，碳化娃微粉的粒径为1 -10微米，炭黑、石墨的粒径为1 -100纳米。
[0017] 组成本发明碳化娃泥料的配伍，碳化娃微粉、短切碳纤维、炭黑、石墨、粘合剂、润 滑剂和去离子水:选取润滑剂为甘油、油酸或植物油中的一种或两种W上的混合物，润滑剂 为甘油、油酸或植物油中的一种或两种W上的混合物，在此混合物中，碳化娃微粉、炭黑、石 墨均匀分散在短切碳纤维周围，确保烧成后复合陶瓷材料体积密度、硬度、强度、热导率等 性能的均匀统一，均匀分散的炭黑石墨为换热器管反应烧结提供主要碳源，粘合剂起到粘 结粉料和碳纤维的作用，同时在烧结过程中为换热器管反应烧结提供辅助碳源。去离子水 起到增加混合物流动性能，便于挤出。润滑剂在混合物挤出过程中起到润滑的作用，提高挤 出效率，降低模具磨损。经反应烧结后的复合陶瓷由于短切碳纤维的存在，为复合陶瓷基体 引入了一定量的微裂纹和气孔，运些微裂纹的存在分散和消耗了材料受到热冲击时的热弹 性应变能，而气孔的存在有利于应力的松弛，大大提高了陶瓷换热器管的高抗热震性。
[0018] 上述高抗热震碳化娃复合陶瓷换热器管的制备方法，步骤如下：
[0019] (1)短切碳纤维预处理:将短切碳纤维于1200~1800°C的氣气气氛中进行热处理， W去除表面金属离子及杂质，然后用丙酬在超声波中清洗至表面无胶，清洗完后在烘箱中 烘至丙酬完全挥发;然后处理后的短切碳纤维于分散剂溶液中浸泡10~25小时后，用蒸馈 水清洗净后烘干，即得处理后短切碳纤维；
[0020] (2)混料:按配比取原料混合均匀，得混合泥料；
[0021] (3)炼泥：将混合泥料于真空条件下炼制l-4h，炼制溫度为10-60°C，真空度为 0.06-0.1 MPa，得炼制后的泥料；
[0022] (4)陈化:将炼制后的泥料于无氧条件下密封陈化2-7天；
[0023] (5)挤出：将陈化后的泥料装入挤出机中真空挤出成型，得换热器管生巧；
[0024] (6)干燥:将换热器管生巧干燥后置于真空反应烧结炉中进行烧结，下面铺金属娃 粒，娃粒的用量为巧体质量的0.5-1.5倍，升溫至1530-1760°(：保溫30-180111111，烧结过程中 通入氣气作为保护气体，冷却至室溫，即得本发明的高抗热震碳化娃复合陶瓷换热器管。
[0025] 本发明优选的，步骤(2)中，所述的混合分为干混和湿混，碳化娃微粉、处理后短切 碳纤维、炭黑、石墨、粘合剂先干混1-化;然后将润滑剂、去离子水分批加入混料机中继续湿 混6-1化。
[0026] 优选的，干混时间为1.5-地，湿混时间6-lOh。
[0027] 本发明优选的，步骤（3 )，炼制时间为1.5-3 .化，炼制溫度为15-55 °C，真空度为 0.08-0.09MPa〇
[0028] 本发明优选的，步骤(4)，陈化时间为3-6天。
[0029] 本发明优选的，步骤(5)中，挤出压力为8-24MPa，真空度为0.06-0.1M化;优选的， 挤出压力为l〇-22MPa，真空度为0.0 S-O. 〇9MPa。
[0030] 本发明优选的，步骤(6)中，所述的干燥为采用微波干燥，干燥溫度为50-90°C，干 燥时间为2-6小时，微波频率300-1500MHZ;优选的，微波干燥溫度为60-80°C，微波干燥时间 为2.5-化，微波频率915M监。
[0031] 本发明优选的，步骤(6)中，金属娃粒的用量为换热器管生巧质量的0.6-1.2倍。
[0032] 本发明优选的，步骤(6)中，烧结溫度为1580-1730°C，保溫时间60-120min，升溫速 率2-40°C/min，优选的，升溫速率为10-30°C/min。
[0033] 本发明的有益效果
[0034] 1、本发明采用碳化娃泥料为制备原料，经干混、湿混、炼泥、挤出、干燥、烧结，制得 的高抗热震碳化娃复合陶瓷换热器管生产效率高、成本低，价格低廉，可W连续化生产。
[0035] 2、本发明采用碳化娃泥料作为制备原料，选用挤出成型机成型代替注浆诱筑成 型，效率明显提高，适合连续生产，制得的换热器管壁厚均匀，密度、硬度、强度、热导率等性 能均匀统一。
[0036] 3、本发明制备出的碳化娃陶瓷换热器管体积密度在3.00g/cm3W上，抗热震性 (1100°C，空冷)10次循环W上，轻质且高致密度，换热性能好。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
[0038] 实施例中采用的原料碳化娃微粉、短切碳纤维、炭黑、石墨、粘合剂、润滑剂、去离 子水均为市售原料。
[0039] 实施例中的混料机，购自莱州华天化工设备有限公司，型号NH-500;真空炼泥机、 真空挤出机购自溜博浩威诚机械制造有限公司；微波干燥机购自溜博金蝶陶瓷机械厂;烧 结炉，购自沈阳沈真真空技术有限责任公司，型号为VQS系列高溫真空烧结炉。
[0040] 实施例1
[0041] -种高抗热震碳化娃复合陶瓷换热器管，采用碳化娃泥料为原料制得，所述的碳 化娃泥料原料组分及其重量百分比组成如下:碳化娃微粉55%、短切碳纤维15%、炭黑5%、 石墨4%、聚乙締醇3%，甘油0.5%，去离子水17.5%。
[0042] 制备方法步骤如下：
[0043] (1)短切碳纤维预处理:将短切碳纤维于1600°C的氣气气氛中进行热处理，W去除 表面金属离子及杂质，然后用丙酬在超声波中清洗至表面无胶，清洗完后在烘箱中烘至丙 酬完全挥发;然后处理后的短切碳纤维于分散剂溶液中浸泡20小时后，用蒸馈水清洗净后 烘干，即得处理后短切碳纤维；
[0044] (2)混料:将碳化娃微粉、处理后短切碳纤维、炭黑、石墨、粘合剂填入混料机中干 混1.化;将润滑剂、去离子水分批加入混料机中继续混制化；
[0045] (3)炼泥:将混好的泥料转移至炼泥机中真空条件下炼制1.化，炼制溫度为20°C， 真空度为O.OSMPa;
[0046] (4)陈化:将炼制好的泥料装入料罐中密封陈化3天；
[0047] (5)挤出：将陈化好的泥料装入挤出机中真空挤出成型，挤出压力为lOMPa，真空度 为0.08M化；
[004引（6)干燥:将挤出成型的碳化娃换热器管转移至微波干燥机中干燥，溫度为60°C， 干燥时间为2小时；
[0049] (7)烧结:将干燥后的碳化娃换热器管巧体置于真空反应烧结炉中，下面铺金属娃 粒，娃粒的用量为巧体质量的1.2倍，升溫至烧结溫度1580°C保溫120min，烧结过程中通入 氣气作为保护气体，所述的升溫速率为l〇°C/min,自然降溫后得本发明的高抗热震碳化娃 复合陶瓷换热器管，体积密度为3.01g/cm3,抗热震性(llOOr，空冷)20次循环无开裂。
[00加]实施例2
[0051] -种高抗热震碳化娃复合陶瓷换热器管，采用碳化娃泥料为原料制得，所述