專利名稱：一種新型摻雜石墨復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳石墨材料以其低原子序數(shù)(12)，高熔點(diǎn)(4043℃)、高熱導(dǎo)，中子吸收截面小，在高溫時(shí)仍能保持一定強(qiáng)度(＜2500℃)，在高溫下直接升華，有很好的抗熱沖擊性能和較好的真空性能，能承受高能量、強(qiáng)粒子流等異常事件帶來的影響，因而被廣泛地用在航天、冶金、半導(dǎo)體、核裂變反堆等方面。磁約束聚變裝置要實(shí)現(xiàn)高功率、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，其面向等離子體部件的第一壁材料是最為關(guān)鍵的研究技術(shù)難題之一。因此碳石墨材料被作為聚變裝置第一壁的首選材料。但純碳基材料存在化學(xué)濺射和輻射增強(qiáng)升華損失大，以及因多孔而導(dǎo)致水蒸汽和聚變?nèi)剂腺A存高和機(jī)械強(qiáng)度較低等，尤其是在等離子體輻照條件下因形成揮發(fā)性的碳?xì)浜吞佳趸衔锏幕瘜W(xué)濺射腐蝕是高溫等離子體中的主要雜質(zhì)源之一，使得純碳基材料作為第一壁材料使用受到很大的限制。
對(duì)碳石墨材料的改性研究主要是采用陶瓷粒子均質(zhì)彌散法，向其中添加B、Si、Ti等元素。研制B、Si、Ti等陶瓷組元摻雜改性的新型摻雜石墨復(fù)合材料可以有效地提高碳石墨材料的抗濺射性能。單組元摻硼可在很大程度上抑制碳基材料的化學(xué)濺射和輻射增強(qiáng)升華損失，但伴隨著其抗濺射性能的提高，硼石墨的熱導(dǎo)值一般降低到未摻雜時(shí)的1/2左右；單組元摻鈦可顯著提高其熱導(dǎo)值，但其抗濺射性能和力學(xué)性能卻不能令人滿意；單組元摻硅的抗濺射性能介于兩者之間，熱導(dǎo)值一般降低到未摻雜時(shí)的1/3～1/2。對(duì)于高功率、長(zhǎng)脈沖運(yùn)行的超導(dǎo)托卡馬克裝置，第一壁材料的熱導(dǎo)值是其最為關(guān)鍵的性能參數(shù)之一，為同時(shí)提高碳石墨材料的熱導(dǎo)值和抗等離子體濺射性能，希望能充分發(fā)揮三種陶瓷組元的各自優(yōu)良性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種優(yōu)化陶瓷組元配方，精選碳基體材料和采用先進(jìn)制備工藝而制備出一種新型摻雜石墨復(fù)合材料。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
一種新型摻雜石墨復(fù)合材料，其特征在于其各組份重量份為
生焦粉 60～70％瀝青20～30％B4C 1～3％Si粉2～5％Ti粉7～10％各組份較優(yōu)的重量份為生焦粉 64％瀝青25％B4C 1％Si粉2.5％Ti粉7.5％一種新型摻雜石墨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將生焦粉和瀝青混合破碎后，再加入B4C、Si粉、Ti粉混合球磨，篩分，熱壓成型并經(jīng)高溫石墨化處理。
生焦粉選用具有自燒結(jié)功能的生焦粉。
熱壓成型工藝中溫度為2200～2600℃，壓力為20～30MPA，高溫石墨化處理時(shí)，溫度為2800～3000℃。
下面將結(jié)合本發(fā)明新型摻雜石墨復(fù)合材料的制備工藝過程作進(jìn)一步的說明。
在基體中摻入具有一定顆粒尺寸的微細(xì)粉料，達(dá)到增韌的效果，這稱為彌散增韌。這種微細(xì)粉料可能是陶瓷粉體或金屬粉末，在與基體生料顆粒均勻混合之后，在燒結(jié)或熱壓時(shí)，多半存在于晶界相中，以其高彈性模量和高溫強(qiáng)度增加了整體的斷裂表面能，特別是高溫?cái)嗔秧g性。無論是哪一種彌散粉末，都存在一個(gè)彌散的起碼要求，即必須具備粉體彌散相和基體之間的化學(xué)相容性和物理潤(rùn)濕性，使其在燒結(jié)后成為完整的整體，而不致產(chǎn)生有害的第三種物質(zhì)。制備高質(zhì)量的摻雜石墨復(fù)合材料必須使摻雜陶瓷組元與碳基體材料間充分混合均勻，將一定細(xì)粒度的基體生料和陶瓷粉體混合球磨，只有球磨時(shí)間足夠長(zhǎng)才能保證混合均勻；但球磨時(shí)間過長(zhǎng)容易形成陶瓷粉體與基體生料之間的互相包覆，在包覆粒子的晶界處存在大量的位錯(cuò)和缺陷，使得復(fù)合材料的致密度增加，層界面間結(jié)合強(qiáng)度增大，力學(xué)性能得到提高，但晶格缺陷的增加使得復(fù)合材料不利于石墨化，熱導(dǎo)率下降。因此，本發(fā)明的關(guān)鍵之一在于混合球磨時(shí)間的掌握和控制。
陶瓷粒子彌散改性碳石墨材料也是復(fù)合材料的一種。常規(guī)的B、Si、Ti三組元共摻，其熱導(dǎo)值很難做到100W/m.K，滿足不了大型超導(dǎo)托卡馬克裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)第一壁對(duì)熱負(fù)荷排出的需要。如想在三組元共摻上有所突破，其優(yōu)化的陶瓷組元配方應(yīng)為7-10％Ti，1-3％B4C，2-5％Si。
1.對(duì)碳石墨材料而言，硼能催化石墨化，提高其抗氧化能力，且硼屬低Z(原子序數(shù))材料，因此硼成為碳石墨材料改性的首選材料。由于B原子與碳原子的原子半經(jīng)相近，在高溫加壓條件下，在石墨晶格缺陷處形成穩(wěn)定的置換固溶體，B原子的熱波動(dòng)散射作用使其熱導(dǎo)率顯著下降。這種下降趨勢(shì)在一定程度上可以由于B4C含量的增加，催化石墨化效應(yīng)增強(qiáng)，石墨晶格完善而有所減弱。但當(dāng)B4C含量超過某個(gè)值后，很可能由于B4C的流失形成新的缺陷而導(dǎo)致復(fù)合材料的熱導(dǎo)率下降。少量的硼原子不但能加速碳結(jié)構(gòu)的三維有序化，提高石墨化程度，而且還能取代石墨晶格中的碳原子，取代碳原子后的硼原子可作為電子的受體，改變了表面位置的電子分布，降低了費(fèi)米能級(jí)，從而減小了表面位置碳的化學(xué)反應(yīng)活性，達(dá)到減小碳石墨材料化學(xué)濺射腐蝕的目的。
摻雜2％以下的B4C能在碳石墨晶格中形成穩(wěn)定的置換固溶體的，利用微量的B在碳石墨晶格中形成穩(wěn)定的置換固溶體，可使摻雜石墨復(fù)合材料在粒子輻照時(shí)捕獲碳原子位移而留下的空位，降低摻雜石墨復(fù)合材料的化學(xué)濺射和輻射增強(qiáng)升華損失，摻雜1％的B4C可使硼原子的熱波動(dòng)散射對(duì)熱導(dǎo)值的降低和微量的B與Ti之間形成二次脆性相硼化鈦等不利影響降低到最小程度；2.摻Ti可顯著提高其熱導(dǎo)值，但摻Ti比例在7～10％以上時(shí)，隨著摻Ti量的增加其熱導(dǎo)值的增加已不明顯，為最大限度的利用摻Ti來提高其熱導(dǎo)值，因此摻Ti量選擇為7-10％；3.摻2.5％的Si既可以提高碳/陶復(fù)合材料的抗化學(xué)濺射能力，又能提高其蒸汽條件下的抗氧化能力，同時(shí)對(duì)熱導(dǎo)值的降低等不利影響可減至較低。
傳統(tǒng)碳材料的生產(chǎn)是將骨料碳和粘結(jié)劑碳按一定配比進(jìn)行混捏、成型和焙燒，由于粘結(jié)劑的碳化，制品內(nèi)形成微孔，結(jié)構(gòu)均勻程度差，顆粒界限較明顯，制品帶有許多微裂紋等缺陷，從而降低了碳制品的致密度和機(jī)械強(qiáng)度。GBST1308主要采用具有自燒結(jié)功能的生石油焦粉作為碳基體材料，在這種材料中，填料碳和起粘結(jié)劑作用的碳從它們開始生成起便經(jīng)歷了完全相同的熱處理過程，兩者之間沒有任何明確的界限，因此這種材料是均質(zhì)的，同時(shí)，顆粒間的結(jié)合是非物理性的牢固結(jié)合，表現(xiàn)為各向同性。因此，選擇具有自燒結(jié)功能的石油生焦粉作為碳基體材料是制備高質(zhì)量的摻雜石墨復(fù)合材料的另一關(guān)鍵之一。
采用熱壓(2200℃～2600℃，20～3MPa)工藝成型，在1-1.5小時(shí)內(nèi)加壓至20～30MPa，可使摻雜石墨復(fù)合材料進(jìn)一步致密化和催化石墨化。
最后只有經(jīng)過2800℃以上的高溫石墨化處理，才能充分發(fā)揮Ti摻雜提高摻雜石墨復(fù)合材料熱導(dǎo)率的作用，將本發(fā)明新型材料的熱導(dǎo)值提高到所希望的程度。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例一、按以下重量份稱取下列組分具有自燒結(jié)功能的生焦粉 64瀝青 25B4C 1Si粉 2.5Ti粉 7.5二、將生焦粉和瀝青混合破碎后，再加入B4C、Si粉、Ti粉混合球磨，篩分，熱壓成型并經(jīng)高溫石墨化處理。熱壓成型工藝中溫度為2200～2600℃，壓力為20～30MPA，高溫石墨化處理時(shí)，溫度為2800～3000℃。即得到本發(fā)明摻雜石墨復(fù)合材料。
本發(fā)明工藝制備的新型摻雜石墨復(fù)合材料已成功應(yīng)用在HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置上。
在安裝了新型摻雜石墨復(fù)合材料主限制器后，HT-7裝置的等離子體性能得到了明顯的改善，運(yùn)行區(qū)間得到了顯著的拓展，取得了更高參數(shù)的等離子體放電和顯著提高了低雜波驅(qū)動(dòng)效率等好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
經(jīng)過本發(fā)明工藝制備出的新型摻雜石墨復(fù)合材料與常規(guī)“三高”(高密度、高強(qiáng)度和高純)石墨相比，該型復(fù)合材料的熱導(dǎo)值可達(dá)150W/m.K以上(常規(guī)“三高”石墨在70～80W/m.K)，最高值達(dá)到376W/m.K，已經(jīng)可以應(yīng)用在半導(dǎo)體等工業(yè)方面作為理想散熱材料。其抗化學(xué)濺射能力提高五倍以上，且抗拉強(qiáng)度、抗熱沖擊能力和真空性能都有顯著提高，屬綜合性能優(yōu)異的一種新型摻雜石墨復(fù)合材料。該型復(fù)合材料除可應(yīng)用在核聚變裝置第一壁外，還可應(yīng)用在航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種新型摻雜石墨復(fù)合材料，其特征在于其各組份重量份為生焦粉 60～70％瀝青20～30％B4C 1～3％Si粉2～5％Ti粉7～10％
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型摻雜石墨復(fù)合材料，其特征在于其各組份較優(yōu)的重量份為生焦粉 64％瀝青25％B4C 1％Si粉2.5％Ti粉7.5％
3.一種新型摻雜石墨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將生焦粉和瀝青混合破碎后，再加入B4C、Si粉、Ti粉混合球磨，篩分，熱壓成型并經(jīng)高溫石墨化處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型摻雜石墨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于生焦粉選用具有自燒結(jié)功能的生焦粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型摻雜石墨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于熱壓成型工藝中溫度為2200～2600℃，壓力為20～30MPA，高溫石墨化處理時(shí)，溫度為2800～3000℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型摻雜石墨復(fù)合材料及其制備方法。將具有自燒結(jié)功能的生焦粉和瀝青混合破碎后,再添加B
文檔編號(hào)C04B35/52GK1357510SQ0112703
公開日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2001年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月24日
發(fā)明者陳俊凌, 李建剛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所