專利名稱：一種制備TiB₂-C_sf-碳復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種短切碳纖維增強(qiáng)TiB2-碳復(fù)合材料的制備方法，屬于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著世界能源日趨緊張和環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格，鋁電解エ業(yè)的高能耗和環(huán)境污染問題愈來愈受到極大的重視，現(xiàn)已成國際鋁業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)電解鋁エ業(yè)一直沿襲使用的是碳素陰極材料。其存在許多缺點(diǎn)能耗較高，產(chǎn)物污染環(huán)境，碳素陰極易受鋁液侵蝕等。此外，由于鋁液不能潤濕碳素陰極，不僅導(dǎo)致極距上升，耗電量巨大，而且在電解過程中電解質(zhì)很容易滲透到碳素陰極內(nèi)部，造成電解質(zhì)對碳素陰極的侵蝕，最終導(dǎo)致電解槽陰極破損，被迫停爐檢修和更換陰扱，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，國內(nèi)外鋁エ業(yè)界一致認(rèn)為采用惰性陽極和惰性可潤濕性陰極可有效克服傳統(tǒng)電解鋁陰極材料的缺點(diǎn)，提高生產(chǎn)率，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。國內(nèi)外的許多研究表明ニ硼化鈦(TiB2)具有很好的導(dǎo)電性，較強(qiáng)的耐高溫、抗腐蝕性，對鋁液濕潤性能好，與鋁液的接觸電阻小，且?guī)缀醪晃针娊赓|(zhì)成分，是ー種較理想的隋性可潤濕陰極材料。Tm2可潤濕性陰極可使鋁電解的極距縮短至2mm 2. 5mm,同時減少陰極上的鋁液層，從而減小磁場對電解過程的干擾，減少電解槽底電解質(zhì)的沉淀，増大產(chǎn)鋁量，提高電流效率，明顯降低電解鋁的成本，延長電解槽壽命。但是純材料由于熔點(diǎn)高和擴(kuò)散系數(shù)低而難以燒結(jié)致密，同時由于化學(xué)鍵特性的差異，在燒結(jié)過程中其晶粒沿C 軸方向的生長速度顯著高于其它方向，導(dǎo)致晶粒異常長大使材料性能劣化；另ー方面，其脆性大、抗熱震性差、不易加工等缺陷限制了純陰極材料的推廣應(yīng)用。因此，將11 與碳復(fù)合，制備出結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)而克服其不足的復(fù)合陶瓷材料，降低了對TU2原料純度的要求， 大幅降低成本，成型性好，易加工，而且還不會影響材料的導(dǎo)電性，可作為電解鋁惰性可潤濕性陰極材料。近年來，國內(nèi)外眾多研究者對TiB2-碳復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛研究。但受限于傳統(tǒng)鋁電解槽的整體陰極結(jié)構(gòu)，研究工作主要集中在TiB2-碳涂層方面，這種涂層材料制備過程簡單，可以方便地涂敷在碳素材料基體上，經(jīng)熱處理后即可投入使用，因而被廣泛地研究和使用。它具有可與金屬相比擬的良好導(dǎo)電性、較強(qiáng)的抗金屬鋁液和氟化鹽熔體腐蝕性能， 并且能被熔融鋁液良好潤濕，從而改變陰極表面的潤濕環(huán)境。但是其存在易磨損、易破損、 機(jī)械強(qiáng)度差等諸多缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)ー步推廣應(yīng)用。而新型鋁電解槽的獨(dú)立陰極結(jié)構(gòu)使得 TiB2-碳復(fù)合材料的應(yīng)用成為可能，目前國內(nèi)外主要采用無壓燒結(jié)技術(shù)來制備TiB2-碳復(fù)合材料，并添加一定量樹脂作為添加剤。李慶余等采用無壓燒結(jié)制備了電解鋁用TiB2-碳復(fù)合陰極材料，其中含量為70. 95wt%，復(fù)合樹脂為3. 5wt%。但材料致密度低，力學(xué)性能較差，在使用過程中易破損。大量研究表明，引入纖維作為增強(qiáng)相是實(shí)現(xiàn)陶瓷材料強(qiáng)韌化的有效方法，使用短切碳纖維作為增強(qiáng)相，有制備エ藝簡單、無需編制纏繞，制備成本低等優(yōu)點(diǎn)。 到目前為止，對于熱壓燒結(jié)法制備TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的研究尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備T i&-Csf-碳復(fù)合材料的方法，該方法得到的 TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的斷裂韌性高。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種制備Ti&-Csf-碳復(fù)合材料的方法，其特征在于它包括如下步驟1)、Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 25 30， 將短切碳纖維與丙酮混合，充分?jǐn)嚢?，室溫下靜置M 4 后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，獲得處理后的短切碳纖維；2)、按各原料所占的重量百分?jǐn)?shù)為11 粉67. 2 75wt%、石墨粉22. 2 30wt%、處理后的短切碳纖維2. 8 3. 2wt% ；稱取粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維；3)、按濕混介質(zhì)與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為15 20 1，將粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維中加入濕混介質(zhì)攪拌超聲分散1.5 池， 再置于球磨罐中(球料比為4 5 1，球磨介質(zhì)是ZiO2球)，球磨混合均勻(球磨10 12h)，得到漿料A ；將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；4)、將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1850°C 1950°C，保溫時間為Ih 1.證，保持25 30ΜΙ^軸向壓力至燒結(jié)完成，然后隨爐冷卻，得到TiB2-Csf-碳復(fù)合材料。步驟1)所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm， 纖維直徑為7 μ m。步驟2)所述的Tm2粉末平均粒徑為6 μ m,石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為 15 μ m。步驟3)所述的濕混介質(zhì)為無水乙醇，還可使用不含水的有機(jī)溶剤，例如甲醇、異丙醇或甲苯等。步驟3)所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為1000 800W。本發(fā)明具有以下有益效果1、ニ硼化鈦(TiB2)是ー種較理想的隋性可潤濕陰極材料，但是無壓燒結(jié)制備的 TiB2-碳復(fù)合材料因?yàn)榱W(xué)性能差而限制了其進(jìn)ー步的應(yīng)用，本發(fā)明采用熱壓燒結(jié)法制備出Csf增強(qiáng)的TiB2-碳復(fù)合材料，在不改變TiB2-碳復(fù)合材料電阻率(80 μ Ω · cm)、相對密度(95% )、抗彎強(qiáng)度(IlOMPa)等性能指標(biāo)的前提下，使其斷裂韌性提高了 40%，可以作為可潤濕惰性陰極材料應(yīng)用于新型電解鋁槽中。2、本發(fā)明制備ェ藝簡單，可操作性強(qiáng)，制備成本低，可迅速制備出符合使用要求的 TiB2-Csf-碳復(fù)合材料，采用熱壓燒結(jié)爐作為熱處理爐，具有一定的普遍性，適用于實(shí)驗(yàn)室以及ェ業(yè)生產(chǎn)。


圖1 (a)為經(jīng)過濕混干燥后的混合原料粉末的SEM照片；圖1 (b)為本發(fā)明實(shí)施例4中制得的TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的斷面SEM照片；圖1 (c)為本發(fā)明實(shí)施例6中制得的TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的斷面SEM照片；圖2為本發(fā)明實(shí)施例4中制得的TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的XRD圖譜。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1 6中所制得的TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度變化圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例1 6中所制得的Ti&-Csf-碳復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性變化圖。圖1 (a)為經(jīng)過濕混干燥后的混合粉末的SEM照片，圖中未觀察到纖維團(tuán)聚現(xiàn)象。 說明濕混球磨的混料方法可以均勻地將短切碳纖維分散在粉末中。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1 6中所制得的TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度變化圖， 說明在短切碳纖維含量較少時，纖維含量對材料的相對密度影響不大，而均勻分散的短切碳纖維可以起到填充孔隙的作用，使材料致密度略微提高，隨著短切碳纖維含量的増加，由于纖維之間的橋接作用的加強(qiáng)，導(dǎo)致材料孔隙率上升，相對密度急劇下降。圖4為本發(fā)明實(shí)施例1 6中所制得的Ti&-Csf-碳復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性變化圖。說明隨著短切碳纖維含量的増加，由于材料孔隙率上升，材料的抗彎強(qiáng)度下降， 而隨著纖維含量増加，纖維在材料斷裂時通過拔斷和拔出的機(jī)制消耗了斷裂功，顯著提高了材料的斷裂韌性。但是當(dāng)纖維含量過大吋，由于材料中孔隙的增多，材料斷裂韌性下降。圖3和圖4說明在實(shí)施例1 6中Ti&-Csf-碳復(fù)合材料中短切碳纖維增強(qiáng)的最佳含量為3wt%，同時進(jìn)ー步佐證當(dāng)纖維含量高于或者低于2. 8 3. 2wt%含量范圍時，材料綜合性能變差。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖、實(shí)施例進(jìn)ー步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。以下實(shí)施例中，相對密度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的測量標(biāo)準(zhǔn)是(1)試樣的相對密度是用試樣的體積密度除以試樣的理論密度，試樣的理論密度根據(jù)原料配比和各原料自身的理論密度即可計(jì)算出來，體積密度用阿基米德法測定，計(jì)算公式為
干·、P水—P空氣) ρ =-:~:-+廠空氣
‘0.99983(m干-ms)‘其中ρ為試樣體積密度，mT為試樣完全干燥后在空氣中的重量，mff為試樣用水煮沸 30min后在水中的重量，Pボ為室溫下水的密度，P 為室溫下空氣的密度。(2)試樣的抗彎強(qiáng)度由美國MTS公司生產(chǎn)的MTS-810型陶瓷試驗(yàn)系統(tǒng)通過三點(diǎn)彎曲法來測定，試樣尺寸為3mmX4mmX36mm，跨距為20mm，加載速率為0. 5mm/min。(3)試樣的斷裂韌性用單邊切ロ梁法來測定，跨距為16mm，試樣尺寸 2. 5mmX5mmX 25mm,在5mm截面上切ー寬為0. 2mm,深為2. 5mm的切ロ。實(shí)施例1 (該實(shí)施例為對比實(shí)例，即不采用本發(fā)明的短切碳纖維)
以粉末、石墨粉為原料，按各原料的重量百分?jǐn)?shù)稱取粉末11 粉末70wt%、 石墨粉30wt% ；所述的11 粉末平均粒徑為6 μ m，石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為 15 μ m ；將粉、石墨粉加入無水乙醇攪拌超聲分散1. 5 池(按無水乙醇與粉和石墨粉總質(zhì)量的質(zhì)量比為15 20 1，所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比為4 5 1，球磨介質(zhì)是ZrO2球)，球磨IOh 1 混合均勻，得到漿料A，將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為 1850°C，壓カ為30MPa，保溫lh，然后隨爐冷卻，得到TiB2-碳復(fù)合材料。測定TiB2-碳復(fù)合材料的相對密度為95. 43%，電阻率為75. 32 μ Ω ·αιι，抗彎強(qiáng)度為107. 5MPa,斷裂韌性為2. 63MPa · m1/2。實(shí)施例2(該實(shí)施例為對比實(shí)例，即不采用本發(fā)明的短切碳纖維的量)Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 25 30，將短切碳纖維與丙酮混合，充分?jǐn)嚢?，室溫下靜置M 48h后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，獲得處理后的短切碳纖維；所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。以粉末、石墨粉和處理后的短切碳纖維為原料，按各原料的重量百分?jǐn)?shù)稱取粉末11 粉末70wt%、石墨粉，處理后的短切碳纖維所述的粉末平均粒徑為6 μ m,石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m ；將粉、石墨粉和和處理后的短切碳纖維(Csf)加入無水乙醇攪拌超聲分散1. 5 2h(按無水乙醇與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為15 20 1，所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比為4 5 1，球磨介質(zhì)是ZrO2球)， 球磨IOh Ia1混合均勻，得到漿料A，將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1850°C，壓カ為30MPa，保溫lh，然后隨爐冷卻，得到TiB2-Csf-碳復(fù)合材料。測定TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為95. 42%,電阻率為78. 75 μ Ω · cm，抗彎強(qiáng)度為:108. 3MPa，斷裂韌性為2. 76MPa · m1/2。實(shí)施例3(該實(shí)施例為對比實(shí)例，即不采用本發(fā)明的短切碳纖維的量)Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 25 30，將短切碳纖維與丙酮混合，充分?jǐn)嚢?，室溫下靜置M 48h后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，獲得處理后的短切碳纖維；所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。以粉末、石墨粉和處理后的短切碳纖維為原料，按各原料的重量百分?jǐn)?shù)稱取粉末11 粉末70wt%、石墨粉，處理后的短切碳纖維2wt%;所述的粉末平均粒徑為6 μ m,石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m ；將粉、石墨粉和和處理后的短切碳纖維加入無水乙醇攪拌超聲分散1. 5 2h (按無水乙醇與TiB2粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為15 20 1，所述的超聲分散的頻率為25 30KHz， 功率為1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比為4 5 1，球磨介質(zhì)是ZrO2球)，球磨 IOh Ia1混合均勻，得到漿料A，將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1850°C，壓カ為30MPa，保溫lh，然后隨爐冷卻，得到Ti&-Csf-碳復(fù)合材料。測定TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為95. 65%,電阻率為80. 02 μ Ω · cm，抗彎強(qiáng)度為:112. 3MPa，斷裂韌性為2. 97MPa · m1/2。實(shí)施例4(為采用本發(fā)明短切碳纖維的量的實(shí)施例)一種制備Ti&-Csf-碳復(fù)合材料的方法，它包括如下步驟1) ,Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 28，將短切碳纖維與丙酮混合，攪拌，室溫下靜置3 后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維4 次，然后置于真空干燥箱中于70°C下干燥36h，獲得處理后的短切碳纖維；所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。2)、按各原料所占的重量百分?jǐn)?shù)為11 粉70wt%、石墨粉27wt%、處理后的短切碳纖維3wt% ；稱取粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維；所述的11 粉末平均粒徑為6 μ m，石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m。3)、按濕混介質(zhì)與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為 18 1，將粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維中加入濕混介質(zhì)攪拌超聲分散1.8h，再置于球磨罐中(球料比為4. 5 1，球磨介質(zhì)是ZiO2球)，球磨混合均勻(球磨Ilh)，得到漿料A ；將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1.他，然后放入真空干燥箱中于70°C下干燥36h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；所述的濕混介質(zhì)為無水乙醇。所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為 1000 800ffo4)、將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1850°C，保溫時間為lh，保持30MI^軸向壓力至燒結(jié)完成，然后隨爐冷卻，得到Tm2-Csf-碳復(fù)合材料。測定Ti&-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為95. 83%,電阻率為82. 71 μ Ω · cm，抗彎強(qiáng)度為:115. 9MPa,斷裂韌性為3. 85MPa · m1/2。本實(shí)施例中，Csf含量若過少(低于2.8wt% )，則對復(fù)合材料增韌效果不明顯，Csf 含量若過多(高于3. 2wt% )，則造成復(fù)合材料致密度下降，力學(xué)性能下降。實(shí)施例5 (該實(shí)施例為對比實(shí)例，即不采用本發(fā)明的短切碳纖維的量)Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 25 30，將短切碳纖維與丙酮混合，充分?jǐn)嚢?，室溫下靜置M 48h后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，獲得處理后的短切碳纖維；所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。
以粉末、石墨粉和處理后的短切碳纖維為原料，按各原料的重量百分?jǐn)?shù)稱取粉末11 粉末70wt%、石墨粉，處理后的短切碳纖維4wt%;所述的粉末平均粒徑為6 μ m,石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m ；將粉、石墨粉和和處理后的短切碳纖維加入無水乙醇攪拌超聲分散1. 5 2h (按無水乙醇與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為15 20 1，所述的超聲分散的頻率為25 30KHz， 功率為1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比為4 5 1，球磨介質(zhì)是ZrO2球)，球磨 IOh Ia1混合均勻，得到漿料A，將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1850°C，壓カ為30MPa，保溫lh，然后隨爐冷卻，得到Ti&-Csf-碳復(fù)合材料。測定Ti&-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為95. 19%,電阻率為89. 63 μ Ω · cm，抗彎強(qiáng)度為99. 58MPa，斷裂韌性為3. 67MPa · m1/2。實(shí)施例6(該實(shí)施例為對比實(shí)例，即不采用本發(fā)明的短切碳纖維的量)Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 25 30，將短切碳纖維與丙酮混合，充分?jǐn)嚢?，室溫下靜置M 48h后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，獲得處理后的短切碳纖維；所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。以粉末、石墨粉和處理后的短切碳纖維為原料，按各原料的重量百分?jǐn)?shù)稱取粉末11 粉末70wt%、石墨粉25wt%，處理后的短切碳纖維5wt%;所述的粉末平均粒徑為6 μ m,石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m ；將粉、石墨粉和和處理后的短切碳纖維加入無水乙醇攪拌超聲分散1. 5 2h (按無水乙醇與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為15 20 1，所述的超聲分散的頻率為25 30KHz， 功率為1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比為4 5 1，球磨介質(zhì)是ZrO2球)，球磨 IOh Ia1混合均勻，得到漿料A，將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1850°C，壓カ為30MPa，保溫lh，然后隨爐冷卻，得到Ti&-Csf-碳復(fù)合材料。測定TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為94. 04%,電阻率為105. 6 μ Ω · cm，抗彎強(qiáng)度為77. 4MPa，斷裂韌性為3. 39MPa · m1/2。實(shí)施例7(該實(shí)施例為對比實(shí)例，即不采用本發(fā)明的短切碳纖維)以粉末、石墨粉為原料，按各原料的重量百分?jǐn)?shù)稱取粉末11 粉末75wt%、 石墨粉25wt% ；所述的11 粉末平均粒徑為6 μ m，石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為 15 μ m ；將粉、石墨粉加入無水乙醇攪拌超聲分散1. 5 池(按無水乙醇與粉和石墨粉總質(zhì)量的質(zhì)量比為15 20 1，所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為1000 800W)，再置于球磨罐中(球料比為4 5 1，球磨介質(zhì)是ZrO2球)，球磨IOh 1 混合均勻，得到漿料A，將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1950°C，壓カ為25MPa，保溫1. 5h，然后隨爐冷卻，得到TiB2-碳復(fù)合材料。測定TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為96. 01%,電阻率為:73.27 μ Ω · cm,抗彎強(qiáng)度為:100. 4MPa,斷裂韌性為2. 7MPa · m1/2。實(shí)施例8 (為采用本發(fā)明短切碳纖維的量的實(shí)施例)一種制備Ti&-Csf-碳復(fù)合材料的方法，它包括如下步驟1) ,Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 27，將短切碳纖維與丙酮混合，攪拌，室溫下靜置40h后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維4 次，然后置于真空干燥箱中于70°C下干燥40h，獲得處理后的短切碳纖維；所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。2)、按各原料所占的重量百分?jǐn)?shù)為11 粉75wt%、石墨粉22. 2wt%、處理后的短切碳纖維2. Swt % ；稱取11 粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維；所述的粉末平均粒徑為6 μ m,石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m。3)、按濕混介質(zhì)與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為 17 1，將粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維中加入濕混介質(zhì)攪拌超聲分散1.7h，再置于球磨罐中(球料比為4. 5 1，球磨介質(zhì)是ZiO2球)，球磨混合均勻(球磨Ilh)，得到漿料A ；將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 7h，然后放入真空干燥箱中于70°C下干燥40h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；所述的濕混介質(zhì)為無水乙醇。所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為1000 800W。4)、將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1950°C，保溫時間為1.5h，保持25MI^軸向壓力至燒結(jié)完成，然后隨爐冷卻，得到Tm2-Csf-碳復(fù)合材料。測定Ti&-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為96. 27%，電阻率為87. 6μ Ω ·αιι，抗彎強(qiáng)度為:113. 37MPa，斷裂韌性為3. 8IMPa · m1/2。實(shí)施例9 (為采用本發(fā)明短切碳纖維的量的實(shí)施例)一種制備TU2-Csf-碳復(fù)合材料的方法，它包括如下步驟1) ,Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 25，將短切碳纖維與丙酮混合，充分?jǐn)嚢?，室溫下靜置24h后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維3次，然后置于真空干燥箱中于60°C下干燥Mh，獲得處理后的短切碳纖維；所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。2)、按各原料所占的重量百分?jǐn)?shù)為11 粉67. 2wt%、石墨粉30wt%、處理后的短切碳纖維2. Swt % ；稱取11 粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維；所述的11 粉末平均粒徑為6 μ m，石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m。3)、按濕混介質(zhì)與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為 15 1，將粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維中加入濕混介質(zhì)攪拌超聲分散1.5h，再置于球磨罐中(球料比為4 1，球磨介質(zhì)是ZiO2球)，球磨混合均勻(球磨IOh)，得到漿料 A ；將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1.釙，然后放入真空干燥箱中于60°C下干燥Mh，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；所述的濕混介質(zhì)為甲醇。所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為1000 800W。4)、將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1850°C，保溫時間為lh，保持25MI^軸向壓力至燒結(jié)完成，然后隨爐冷卻，得到Tm2-Csf-碳復(fù)合材料。測定TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為95. 69%,電阻率為75. 51 μ Ω · cm，抗彎強(qiáng)度為110. 72MPa，斷裂韌性為3. 84MPa · m"2。實(shí)施例10 (為采用本發(fā)明短切碳纖維的量的實(shí)施例)一種制備Ti&-Csf-碳復(fù)合材料的方法，它包括如下步驟1) ,Csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維(Csf)與丙酮的體積比為1 30，將短切碳纖維與丙酮混合，充分?jǐn)嚢?，室溫下靜置4 后過濾(除掉濾液)，用蒸餾水沖洗短切碳纖維5次，然后置于真空干燥箱中于80°C下干燥48h，獲得處理后的短切碳纖維；所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維(PAN)，規(guī)格為6K，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。2)、按各原料所占的重量百分?jǐn)?shù)為11 粉67.2wt%、石墨粉29.6wt%、處理后的短切碳纖維3. 2wt% ；稱取11 粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維；所述的11 粉末平均粒徑為6 μ m，石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m。3)、按濕混介質(zhì)與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為 20 1，將粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維中加入濕混介質(zhì)攪拌超聲分散池，再置于球磨罐中(球料比為5 1，球磨介質(zhì)是ZrO2球)，球磨混合均勻(球磨12h)，得到漿料A ； 將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥池，然后放入真空干燥箱中于80°C下干燥48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；所述的濕混介質(zhì)為異丙醇。所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為1000 800W。4)、將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1950°C，保溫時間為1.5h，保持30MI^軸向壓力至燒結(jié)完成，然后隨爐冷卻，得到Tm2-Csf-碳復(fù)合材料。測定Ti&-Csf-碳復(fù)合材料的相對密度為95. 64%，電阻率為77. 9μ Ω .cm,抗彎強(qiáng)度為:112. 35MPa，斷裂韌性為:3. 84MPa · m"2。
權(quán)利要求
1.一種制備Tm2-Csf-碳復(fù)合材料的方法，其特征在于它包括如下步驟1)、csf的表層除膠預(yù)處理按短切碳纖維與丙酮的體積比為1 25 30，將短切碳纖維與丙酮混合，攪拌，室溫下靜置M 4 后過濾，用蒸餾水沖洗短切碳纖維3 5次，然后置于真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，獲得處理后的短切碳纖維；2)、按各原料所占的重量百分?jǐn)?shù)為=TiB2粉67.2 75wt%、石墨粉22. 2 30wt%、 處理后的短切碳纖維2. 8 3. 2wt% ；稱取粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維；3)、按濕混介質(zhì)與粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維總質(zhì)量的質(zhì)量比為15 20 1，將粉、石墨粉和處理后的短切碳纖維中加入濕混介質(zhì)攪拌超聲分散1.5 池， 再置于球磨罐中，球磨混合均勻，得到漿料A ；將漿料A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上干燥1. 5 池，然后放入真空干燥箱中于60 80°C下干燥M 48h，干燥后的粉末經(jīng)研磨，過100目篩，得到混合均勻的粉末；4)、將混合均勻的粉末放入石墨模具中，置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并充入氬氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)溫度為1850°C 1950°C，保溫時間為Ih 1. 5h，保持25 30ΜΙ^軸向壓カ至燒結(jié)完成，然后隨爐冷卻，得到TiB2-Csf-碳復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種制備Tm2-Csf-碳復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟1) 所述的短切碳纖維為聚丙烯睛碳纖維，規(guī)格為6Κ，平均長度為2mm，纖維直徑為7 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種制備Tm2-Csf-碳復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟2) 所述的Tm2粉的平均粒徑為6 μ m ；石墨粉為市售超細(xì)石墨粉，平均粒徑為15 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種制備Tm2-Csf-碳復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟3) 所述的濕混介質(zhì)為無水乙醇、甲醇、異丙醇或甲苯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種制備Tm2-Csf-碳復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟3) 所述的超聲分散的頻率為25 30KHz，功率為1000 800W。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種短切碳纖維增強(qiáng)TiB2-碳復(fù)合材料的制備方法。一種制備TiB2-Csf-碳復(fù)合材料的方法，其特征在于它包括如下步驟1)Csf的表層除膠預(yù)處理將短切碳纖維與丙酮混合；2)按各原料所占的重量百分?jǐn)?shù)為TiB2粉67.2～75wt％、石墨粉22.2～30wt％、處理后的短切碳纖維2.8～3.2wt％；稱??；3)超聲分散、球磨、干燥，過篩，得到混合均勻的粉末；4)將混合均勻的粉末放入石墨模具中，燒結(jié)，得到TiB2-Csf-碳復(fù)合材料。該制備方法工藝簡單、成本低，本發(fā)明制備的TiB2-Csf-碳復(fù)合材料，在不改變TiB2-碳復(fù)合材料導(dǎo)電性，相對密度，抗彎強(qiáng)度等性能指標(biāo)的前提下，使其斷裂韌性提高了40％，可應(yīng)用于鋁電解槽內(nèi)惰性可潤濕性陰極材料。
文檔編號C04B35/80GK102531657SQ20121000202
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者傅正義, 王為民, 王玉成, 王皓, 費(fèi)俊杰 申請人:武漢理工大學(xué)