專利名稱：一種高導熱炭/陶復合材料的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于一種石墨材料的制備方法，具體地說涉及一種制備高導熱炭/陶復合材料的方法及其組成。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，人們對導熱材料提出了新的要求，希望材料具有優(yōu)良的綜合性能。傳統(tǒng)的導熱材料主要是金屬及其氧化物和合金。金屬材料的缺點是不耐腐蝕、密度高；而合金材料不僅密度高，而且價格昂貴。近年來人們發(fā)現(xiàn)石墨材料具有良好的熱電及機械性能，可應用于很多領域，如航天、航空、化工、冶金以及電子等方面。
傳統(tǒng)石墨材料的制備方法主要是常規(guī)工藝。常規(guī)工藝是將原料經(jīng)預碎、煅燒、粉碎、篩分；顆粒與細粉的質(zhì)量配比；加入粘結(jié)劑并進行機械混合以及熱混捏；混捏后的糊料成型；將成型后生坯的焙燒；焙燒坯進行浸漬再焙燒循環(huán)增密處理；最后將焙燒后半成品進行石墨化處理[李圣華，炭和石墨制品，北京冶金工業(yè)出版社，1983]。此方法不僅生產(chǎn)周期長，而且石墨制品的塊密度及熱導率較低。實際生產(chǎn)利用中，往往在石墨成品內(nèi)部存在的微裂紋較多，經(jīng)常產(chǎn)生廢品，浪費原材料等缺點。而且普通石墨材料熱導率室溫下僅為150W/(m.k)左右，遠不能滿足日益發(fā)展的高科技領域?qū)κ牧系臒釋W性能的要求，尤其是航天、航空領域，不僅要求材料具有優(yōu)良的熱學以及力學性能，而且要求材料具有低密度。石墨單晶的理論熱導率室溫下可達2100W/(m.k)左右，因此對于石墨材料而言，其熱導率有很大的提升空間[Hugh.O.Pieson，Handbook ofCarbon，Graphite，Diamond and Fullenenesroperties，Processing andApplication[M]USA.Noyes Publication，1990]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過對傳統(tǒng)石墨材料的摻雜改性，從而提供一種熱導率高、密度低的炭/陶復合材料的制備方法。
本發(fā)明主要是通過摻雜一些特殊的金屬粉，在材料的制備過程中起催化石墨化作用，促進石墨晶粒的發(fā)育程度和定向排列程度。通過改性，一方面可以提高材料的石墨化度，減少石墨的晶格缺陷；另一方面摻入的添加劑對聲子的散射作用較弱，進而可以使材料的熱導率得到很大的提高。
本發(fā)明中所添加的鈦或鋯元素，在石墨材料內(nèi)部大多存在于石墨層與層之間，所形成的是侵入型晶格缺陷，其晶格缺陷對聲子的散射作用較弱，與它對石墨所起的石墨化作用相比較而言，這種影響較小，從而可以大大提高石墨材料的熱導率。
本發(fā)明的制備方法包括如下步驟(1)將填料、粘結(jié)劑以及添加劑按配比在高混機內(nèi)機械混合15～20分鐘；(2)將混好的原料在熱混捏機上熱混捏10～15分鐘，制成糊料；(3)將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃、8～10MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱石墨制品；其中各組成的重量百分比為煅燒石油焦顆粒 18～20％煅燒石油焦細粉 34～56％粘結(jié)劑 23～27％添加劑 3～20％。
如上所述的煅燒石油焦顆粒是粒徑為1.5～0.9mm的顆粒。
如上所述的煅燒石油焦細粉是粒徑為≤0.09mm的細粉。
如上所述的粘結(jié)劑是軟化點為90～110℃，粒徑為≤0.154mm的煤瀝青。
如上所述的添加劑是鈦粉和鋯粉。鈦粉為粒度≤100μm，純度為大于99.9％。鋯粉為粒度≤100μm，純度為大于99.9％。
本發(fā)明的高導熱炭/陶復合材料的熱導率可以通過改變添加劑的種類以及配比來控制。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)原料來源廣泛，價格便宜；
(2)工藝簡單，生產(chǎn)周期短，見效快；(3)該方法生產(chǎn)的炭/陶復合材料比傳統(tǒng)導熱物質(zhì)如金屬材料的熱導率高；(4)該方法生產(chǎn)的炭/陶復合材料不僅密度低，而且還具有優(yōu)良的力學性能。
具體實施例方式實施例1將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉213g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鈦粉12g，裝入高混機內(nèi)機械混合15分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏10分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、8MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。將制備的炭/陶復合材料切成φ20mm×20mm規(guī)格尺寸的試樣，經(jīng)拋光、超聲波清洗并烘干，根據(jù)國標GB-3399-82(88)相對比較法進行測試，沿石墨層方向的熱導率室溫下為280W/m.k，塊密度為2.02g/cm3。
實施例2將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉197g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鈦粉28g，裝入高混機內(nèi)機械混合15分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏10分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、8MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為370W/m.k，塊密度為2.05g/cm3。
實施例3將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉181g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鈦粉44g，裝入高混機內(nèi)機械混合16分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏11分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、9MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為410W/m.k，塊密度為2.20g/cm3。
實施例4將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉165g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鈦粉60g，裝入高混機內(nèi)機械混合16分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏11分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、8～10MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為460W/m.k，塊密度為2.22g/cm3。
實施例5將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉149g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鈦粉76g，裝入高混機內(nèi)機械混合17分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏12分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、8MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為430W/m.k，塊密度為2.25g/cm3。
實施例6將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉213g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鋯粉12g，裝入高混機內(nèi)機械混合17分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏13分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、9MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為255W/m.k，塊密度為2.08g/cm3。
實施例7將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉201g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鋯粉24g，裝入高混機內(nèi)機械混合18分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏13分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、9MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為255W/m.k，塊密度為2.08g/cm3。
實施例8將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉189g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鋯粉36g，裝入高混機內(nèi)機械混合19分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏14分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、10MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為350W/m.k，塊密度為2.25g/cm3。
實施例9將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉177g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鋯粉48g，裝入高混機內(nèi)機械混合20分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏15分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、10MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為390W/m.k，塊密度為2.31g/cm3。
實施例10將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉165g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鋯粉60g，裝入高混機內(nèi)機械混合20分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏15分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、10MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為430W/m.k，塊密度為2.35g/cm3。
實施例11將500克煅燒石油焦經(jīng)粉碎、篩分成粒徑為1.50～0.90mm的顆粒與粒徑為≤0.09mm的細粉兩種規(guī)格；另取200克的煤瀝青破碎至粒徑≤0.154mm；取粒徑≤0.154mm的煤瀝青100g，煅燒石油焦粒徑為1.50～0.90mm的顆粒75g、粒徑為≤0.09mm的細粉145g，粒度為≤100μm，純度為99.9％的鋯粉80g，裝入高混機內(nèi)機械混合20分鐘后，將混好的原料在熱混捏機上在150℃下熱混捏15分鐘，制成糊料；之后將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃左右、10MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱炭/陶復合材料。其余同實施例1，制品沿石墨層方向的熱導率室溫下為440W/m.k，塊密度為2.40g/cm3。
權(quán)利要求
1.一種高導熱炭/陶復合材料的制備方法，其特征在于所述的制備方法包括如下步驟(1)將填料、粘結(jié)劑以及添加劑按配比在高混機內(nèi)機械混合15～20分鐘；(2)將混好的原料在熱混捏機上熱混捏10～15分鐘，制成糊料；(3)將糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃、8～10MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱石墨制品；其中各組成的重量百分比為煅燒石油焦顆粒 18～20％煅燒石油焦細粉 34～56％粘結(jié)劑 23～27％添加劑 3～20％。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高導熱炭/陶復合材料的制備方法，其特征在于所述的煅燒石油焦顆粒是粒徑為1.5～0.9mm的顆粒。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高導熱炭/陶復合材料的制備方法，其特征在于所述的煅燒石油焦細粉是粒徑為≤0.09mm的細粉。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高導熱炭/陶復合材料的制備方法，其特征在于所述的粘結(jié)劑是軟化點為90～110℃，粒徑為≤0.154mm的煤瀝青。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高導熱炭/陶復合材料的制備方法，其特征在于所述的添加劑是鈦粉和鋯粉；鈦粉為粒度≤100μm，純度為大于99.9％；鋯粉為粒度≤100μm，純度為大于99.9％。
全文摘要
一種高導熱炭/陶復合材料的制備方法，是將填料、粘結(jié)劑以及添加劑按配比在高混機內(nèi)機械混合15～20分鐘；將混好的原料在熱混捏機上熱混捏10～15分鐘，制成糊料；待糊料冷卻，重新破碎后裝入模具內(nèi)于2600℃、8～10MPa壓力下熱壓一次成型，冷卻后即得高導熱石墨制品。本發(fā)明具有原料來源廣泛，價格便宜，工藝簡單，生產(chǎn)周期短，見效快等優(yōu)點。
文檔編號C04B35/622GK1421417SQ0113054
公開日2003年6月4日 申請日期2001年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月27日
發(fā)明者劉朗, 邱海鵬, 宋永忠, 史景利, 翟更太 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所