專利名稱：天然石墨自凝固成型的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及石墨成型的方法。
背景技術：
天然石墨屬稀有非金屬礦物材料之一，具有良好的導電、導熱、潤滑、耐火及化學穩(wěn)定性。由于石墨具有上述的特殊性能，所以在冶金、機械、石油、化工、核工業(yè)、國防等領域得到廣泛的應用。其主要用途為大體分為以下六類一、耐火材料在冶煉工業(yè)中，用石墨制造石墨坩堝、作鋼錠的保護劑、作冶煉爐內襯的鎂碳磚；二、導電材料在電器工業(yè)中，廣泛采用石墨作電極、電刷、電棒、碳管以及電視機顯像管的涂料等；三、耐磨材料和潤滑
劑在許多機械設備中，用石墨作耐磨和潤滑材料，可以在-20(TC 200(rC溫度范圍內以
100m/s的速度滑動；四、密封材料用柔性石墨作離心泵、水輪機、汽輪機和輸送腐蝕介質的設備的活塞環(huán)墊圈、密封圈等；五、耐腐蝕材料用石墨制作器皿、管道和設備，可耐各種腐蝕性氣體和液體的腐蝕，廣泛用于石油、化工、濕法冶金等部門；六、隔熱、耐高溫、防輻射材料石墨可作為核反應堆中中子減速劑以及火箭的噴嘴、導彈的鼻錐、宇航設備零件、隔熱材料、防射線材料等?，F有的石墨成型的方法有以下兩種一、石墨熱壓成型是以高純石墨粉加入樹脂等原料，經加熱加壓，得到成型的石墨，熱壓的溫度通常為250(TC
300(TC，壓力^ 20MPa，石墨熱壓成型條件苛刻、成本高、產品形狀及尺寸受熱壓爐大小所控制，另外熱壓成型后要根據實際應用工件尺寸、形狀進行機械車削，又進一步增加了成本，從而限制了石墨材料的應用范圍；二、石墨冷成型是把天然磷片石墨通過機械力擠壓或粘結劑混捏形成一定型狀，然后根據工況的要求對成型的石墨塊體進行碳化及石墨化處理。石墨冷成型所需機械力^ 30Mpa時才表現出良好的機械性能，并且容易因外力不均勻而產生裂紋、抗彎強度《10MPa，韌性低，從而限制其應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為了解決現有的石墨熱壓成型方法的條件苛刻、產品形狀及尺寸受熱壓爐大小所控制、需要進行二次切削加工、成本高及冷成型方法的易產生裂紋、韌性低的問題，而提供天然石墨自凝固成型的方法。
本發(fā)明的天然石墨自凝固成型的方法，按以下步驟進行一、根據石墨工件的尺寸及形狀設計加工加料口可以密封的塑料模具；二、按質量比為天然石墨硅溶膠苯酚質量濃度為35% 37%的甲醛碳酸鈉水=50 70 :4 7 :8 12 :14 20 :4 7 :8 20，將天然石墨、硅溶膠、苯酚、質量濃度為35% 37%的甲醛、碳酸鈉和水混合均勻，倒入經步驟一制備的模具中，封閉加料口 ；三、將經步驟二處理的模具放在溫度為5(TC 75t:的恒溫箱內保持1. 5h 2. 5h，然后去除模具，得到固化成型的石墨件；四、將經步驟三得到的固化成型的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min 5°C /min的速率升溫至90(TC 110(TC后保持1.5h 2. 5h，得到碳化的石墨件；五、將經步驟四得到的碳化的石墨件進行封孔處理，得到石墨工件。 步驟五中所述的封孔處理是這樣進行的a、把碳化后的石墨件放入溫度150°C 160°C的保溫箱內保持2h 4h ;b、把經步驟a處理的石墨件浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為150°C 18(TC、壓力為2MPa 5MPa的條件下保持2h 4h ;c、將經步驟b處理的石墨件在溫室放置24h 48h ;d、將經步驟c處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min 5°C /min的速率升溫至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h ;e、將經步驟d處理的石墨件降溫至150°C 18(TC時，浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為150°C 18(TC、壓力為2MPa 5MPa的條件下保持2h 4h ;f、將經步驟e處理的石墨件在溫室放置24h 48h ;g、將經步驟f處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min 5°C /min的速率升溫至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h，完成封孔處理。 本發(fā)明采用溶液法使磷片狀天然石墨在高分子溶液中一次成型，通過設計不同的模具尺寸及形狀，天然石墨可形成任意大小及形狀的復雜石墨工件，整個過程在常壓下進行，條件溫和，不需要大型的壓力機或等靜壓設備，用普通的塑料模具代替造價較高的特種鋼模具，形成的石墨工件的尺寸及形狀由塑料模具控制，操作靈活，不需二次車削，使制備成本大大降低；根據參數的不同可設計出不同強度及孔隙率的石墨工件產品，抗彎強度為26MPa 30MPa，孔隙率為1% 5% ;石墨工件的制備過程沒有經過擠壓過程，石墨工件沒有裂紋，材料均勻，韌性高。本發(fā)明的方法可用于制備耐火材料、導電材料、耐磨材料和潤滑劑、密封材料、耐腐蝕材料以及隔熱、耐高溫、防輻射材料，應用于核工業(yè)、航空等前沿部門及普通工業(yè)領域。


圖1是具體實施方式
十四制備的石墨工件斷口的掃描電鏡圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 本實施方式的天然石墨自凝固成型的方法，按以下步驟進行一、根據石墨工件的尺寸及形狀設計加工加料口可以密封的塑料模具；二、按質量比為天然石墨硅溶膠苯酚質量濃度為35% 37%的甲醛碳酸鈉水=50 70 :4 7 :8 12 :
414 20 :4 7 :8 20，將天然石墨、硅溶膠、苯酚、質量濃度為35% 37%的甲醛、碳酸鈉和水混合均勻，倒入經步驟一制備的模具中，封閉加料口 ；三、將經步驟二處理的模具放在溫度為50°C 75t:的恒溫箱內保持1. 5h 2. 5h，然后去除模具，得到固化成型的石墨件；四、將經步驟三得到的固化成型的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min 5°C /min的速率升溫至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h，得到碳化的石墨件；五、將經步驟四得到的碳化的石墨件進行封孔處理，得到石墨工件。 本實施方式采用溶液法使磷片狀天然石墨在高分子溶液中一次成型，通過設計不同的模具尺寸及形狀，天然石墨可形成任意大小及形狀的復雜石墨工件，整個過程在常壓下進行，條件溫和，不需要大型的壓力機或等靜壓設備，用普通的塑料模具代替造價較高的特種鋼模具，形成的石墨工件的尺寸及形狀由塑料模具控制，操作靈活，不需二次車削，使制備成本大大降低；根據參數的不同可設計出不同強度及孔隙率的石墨工件產品，抗彎強度為26MPa 30MPa，孔隙率為1% 5% ;石墨工件的制備過程沒有經過擠壓過程，石墨工件沒有裂紋，材料均勻，韌性高。本實施方式的方法可以應用于核工業(yè)、航空等前沿部門及普通工業(yè)的應用范圍，如控制其孔隙率可以制備保溫隔熱材料，采用封孔及碳化、石墨化處理后又能制備導電傳熱材料。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟五中所述的封孔處理按以下步驟進行a、把碳化后的石墨件放入溫度150°C 16(TC的保溫箱內保持2h 4h ;b、把經步驟a處理的石墨件浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為150°C 18(TC、壓力為2MPa 5MPa的條件下保持2h 4h ;c、將經步驟b處理的石墨件在溫室放置24h 48h ;d、將經步驟c處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min 5°C /min的速率升溫至90(TC IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h ;e、將經步驟d處理的石墨件降溫至150°C 18(TC時，浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為150°C 18(TC、壓力為2MPa 5MPa的條件下保持2h 4h ;f、將經步驟e處理的石墨件在溫室放置24h 48h ;g、將經步驟f處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min 5°C /min的速率升溫至90(TC IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h，完成封孔處理。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟五中所述的封孔處理按以下步驟進行a、把碳化后的石墨件放入溫度155t:的保溫箱內保持3h ;b、把經步驟a處理的石墨件浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為16(TC、壓力為3MPa的條件下保持3h ;c、將經步驟b處理的石墨件在溫室放置36h ;d、將經步驟c處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以4°C /min的速率升溫至IOO(TC后保持2h ;e、將經步驟d處理的石墨件降溫至170°C時，浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為170°C 、壓力為3. 5MPa的條件下保持3. 5h ;f 、將經步驟e處理的石墨件在溫室放置40h ;g、將經步驟f處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min的速率升溫至105(TC后保持2h，完成封孔處理。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟二中按質量比天然石墨硅溶膠苯酚質量濃度為35% 37%的甲醛碳酸鈉水=53 67 :
4. 5 6. 5 :8. 5 11. 5 :15 19 :4. 5 6. 5 :9 18。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中按質量比天然石墨硅溶膠苯酚質量濃度為35% 37%的甲醛碳酸鈉水=60 :5 :10 :17 :5.5:12。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三中恒溫箱的溫度為55°C 70°C。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟三中恒溫箱的溫度為6(TC。其它與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟三中保溫時間為1. 6h 2. 4h。其它與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟三中保溫時間為2h。其它與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟四中以2. 5°C /min 4. 5°C /min的速率升溫至950°C 1050°C。其它與具體實施方式
一至九之一相同。
具體實施方式
i^一 本實施方式與具體實施方式
一至十之一不同的是步驟四中以3. 5°C /min的速率升溫至IOO(TC。其它與具體實施方式
一至十之一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至i^一之一不同的是步驟四中保溫時間為1. 6h 2. 4h。其它與具體實施方式
一至i^一之一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一至十二之一不同的是步驟四中保溫時間為2h。其它與具體實施方式
一至十二之一相同。
具體實施方式
十四本實施方式的天然石墨自凝固成型的方法按以下步驟進行一、根據要石墨工件的尺寸及形狀設計加工加料口可以密封的塑料模具；二、按質量比為天然石墨硅溶膠苯酚質量濃度為35% 37%的甲醛碳酸鈉水=60 :5 :10 :18 :5 :15，將天然石墨、硅溶膠、苯酚、質量濃度為37%的甲醛、碳酸鈉和水混合均勻，倒入經步驟一制備的模具中，封閉加料口 ；三、將經步驟二處理的模具放入溫度為65t:的恒溫箱內保持2h，然后去除模具，得到固化成型的石墨件；四、將經步驟三得到的固化成型的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以5°C /min的速率升溫至100(TC后保持2h，得到碳化的石墨件；五、將經步驟四得到的碳化的石墨件進行封孔處理，得到石墨工件。 本實施方式步驟五中所述的封孔處理是這樣進行的a、把碳化后的石墨件放入溫度16(TC的保溫箱內保持2h ;b、把經步驟a處理的石墨件浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為16(TC、壓力為3MPa的條件下保持2h ;c、將經步驟b處理的石墨件在溫室放置24h ;d、將經步驟c處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以4°C /min的速率升溫至100(TC后保持2. 5h ;e、將經步驟d處理的石墨件降溫至180°C時，浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為18(TC、壓力為4MPa的條件下保持2h ;f、將經步驟e處理的石墨件在溫室放置24h ;g、將經步驟f處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min的速率升溫至110(TC后保持2h，完成封孔處理。 經本實施方式的步驟四處理后的石墨工件斷口的掃描電鏡圖如圖1所示，從圖1可以看出，石墨工件內部無裂紋，材料組織均勻，片狀石墨層表面均勻分布一些納米白色粒子，其中一些粒子聯(lián)成線狀，此白色粒可能為硅溶膠及高分子在石墨表面的析晶，起著粘結作用，提高了石墨工件的強度；本實施方式得到的石墨工件的抗彎強度為28MPa，孔隙率為4% ;本實施方式采用溶液法使磷片狀天然石墨在高分子溶液中一次成型，通過設計的模具尺寸及形狀，天然石墨可形成任意大小及形狀的復雜石墨工件，整個過程在常壓下進行，條件溫和，不需要大型的壓力機或等靜壓設備，用普通的塑料模具代替造價較高的特種鋼模具，形成的石墨工件的尺寸及形狀由塑料模具控制，操作靈活，不需二次車削，使制備成本大大降低。
權利要求
天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于天然石墨自凝固成型的方法，按以下步驟進行一、根據石墨工件的尺寸及形狀設計加工加料口可以密封的塑料模具；二、按質量比為天然石墨硅溶膠苯酚質量濃度為35%～37%的甲醛碳酸鈉水=50～704～78～1214～204～78～20，將天然石墨、硅溶膠、苯酚、質量濃度為35%～37%的甲醛、碳酸鈉和水混合均勻，倒入經步驟一制備的模具中，封閉加料口；三、將經步驟二處理的模具放在溫度為50℃～75℃的恒溫箱內保持1.5h～2.5h，然后去除模具，得到固化成型的石墨件；四、將經步驟三得到的固化成型的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2℃/min～5℃/min的速率升溫至900℃～1100℃后保持1.5h～2.5h，得到碳化的石墨件；五、將經步驟四得到的碳化的石墨件進行封孔處理，得到石墨工件。
2. 根據權利要求l所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟五中所述的封孔處理按以下步驟進行a、把碳化后的石墨件放入溫度150°C 16(TC的保溫箱內保持2h 4h ;b、把經步驟a處理的石墨件浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為150°C 180。C、壓力為2MPa 5MPa的條件下保持2h 4h ;c、將經步驟b處理的石墨件在溫室放置24h 48h ;d、將經步驟c處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min 5°C /min的速率升溫至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h ;e、將經步驟d處理的石墨件降溫至150°C 18(TC時，浸沒于裝有中溫瀝青的高壓浸漬釜內，在溫度為150°C 18(TC、壓力為2MPa 5MPa的條件下保持2h 4h ;f、將經步驟e處理的石墨件在溫室放置24h 48h ;g、將經步驟f處理的石墨件放入石墨化爐中，在氮氣保護下，以2°C /min 5°C /min的速率升溫至900°C IIO(TC后保持1. 5h 2. 5h，完成封孔處理。
3. 根據權利要求1或2所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟二中按質量比為天然石墨硅溶膠苯酚質量濃度為35% 37%的甲醛碳酸鈉水=53 67 :4. 5 6. 5 :8. 5 11. 5 :15 19 :4. 5 6. 5 :9 18。
4. 根據權利要求3所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟三中恒溫箱的溫度為55。C 70。C。
5. 根據權利要求1、2或4所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟三中的保溫時間為1. 6h 2. 4h。
6. 根據權利要求1、2或4所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟三中的保溫時間為2h。
7. 根據權利要求5所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟四中以2.5tVmin 4. 5°C /min的速率升溫至950°C 1050°C。
8. 根據權利要求5所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟四中以3.5tVmin的速率升溫至IOO(TC。
9. 根據權利要求1、2、4或7所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟四中的保溫時間為1. 6h 2. 4h。
10. 根據權利要求1、2、4或7所述的天然石墨自凝固成型的方法，其特征在于步驟四中的保溫時間為2h。
全文摘要
天然石墨自凝固成型的方法，它涉及石墨成型的方法。本發(fā)明解決了現有的石墨熱壓成型方法的條件苛刻、產品形狀及尺寸受熱壓爐大小所控制、需要進行二次切削加工、成本高及石墨冷成型方法的易產生裂紋、韌性低的問題。本方法按石墨工件的外形及尺寸設計加工塑料模具，再將天然石墨、硅溶膠、苯酚、甲醛、碳酸鈉和水混合后加入模具并封閉加料口，然后經固化、碳化和封孔處理后，得到石墨工件。本發(fā)明使天然石墨在高分子溶液中一次成型，過程在常壓下進行，條件溫和，形成的石墨工件的尺寸及形狀由塑料模具控制，成本低；抗彎強度為26MPa～30MPa，孔隙率為1%～5%，無裂紋。本方法可用于核工業(yè)、航空及普通工業(yè)領域。
文檔編號B28B1/14GK101774210SQ201010136900
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權日2010年3月31日
發(fā)明者張海軍, 趙國剛 申請人:黑龍江科技學院