CN101348250A - 一种石墨硬碳毡的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种石墨硬碳毡的制备方法，其特征在于：将碳毡在硝酸溶液中浸泡或煮沸2～3h后凉干，在750～1000℃下焙烧2～3h；将得到的碳毡浸泡在含有可溶性金属盐的水溶液中，浸泡2～10h后取出晾干，然后在250～700℃温度下加热1～3h；接着将负载有金属氧化物的碳毡在还原性气氛中升温至850～900℃并保持2～4h；然后通入反应性气体，在2400～2500℃石墨化高温处理4h，最后得到石墨硬碳毡；其抗压强度：113～189MPa；抗拉强度：30～47MPa；抗折强度：50～78MPa；电阻率：13～18μΩ.m；灰分：0.05％；体积密度：1.83～1.87g/cm3；孔隙率：4～7％；肖氏硬度：57～80；最大粒子径：5～15μm；热导率：70～105W/m.K。

Description

一种石墨硬碳毡的制备方法

技术领域

本发明涉及石墨碳材料制造领域，具体的讲是一种石墨硬碳毡的制备方法。

背景技术

传统石墨硬碳毡的制作是：采用聚丙烯腈纤维经预氧化处理制成预氧毡或用碳纤维经切短梳理成网，再经针刺成特厚碳毡平板坯，再经高温处理成碳毡；然后进行石墨化处理制成石墨硬碳毡。石墨硬碳毡与其它保温隔热材料相比，具有以下特点：耐高温(真空或保护性气体中可达3000℃)，能有效的阻隔辐射热，且放气量极小，特别适合使用于真空高温炉。耐各种化学腐蚀，质轻能有效减轻炉体的重量。热容低，炉温上升速率快，节能显著，同时降温也快，能大大缩短炉子使用周期，提高使用效率。不会像粉状或颗粒状保温材料那样飞扬，有利于环境洁净和操作人员的健康，且操作方便。与高温特种金属隔热材料相比，价格便宜，隔热效果更佳。使用时可拼接，缝合或包扎，能适应各种形状与规格的高温炉之需要。由于在石墨硬碳毡中90％为空隙，因此它在真空或惰性气氛中的隔热保温性能非常优越。特别是在高温条件下性能稳定，由于它重量轻、比热容小、质地柔软、绝热性好、操作方便，可广泛应用在高度真空与惰性气体炼矿熔炉、晶体生长炉、单晶炉、多晶炉，特别适用于间歇运行的高温真空炉，可节省大量能源。作为平板石墨硬碳毡可以与碳复合制成碳/碳复合材料，它的抗烧蚀性能、抗热、抗震性能和耐磨性能都很优越，它与热固性、热塑性树脂复合制成碳纤维增强材料，有很高的强度和模量，可用于化工、机械等工业部门做耐磨、耐蚀、密封滑动等器件及民用工业品。国内高性能的石墨硬碳毡由于其制作工艺要求高和因其原料来源的限制，只有极少数的有原料条件的厂家在试制，但因工艺和其附属设施的制约，基本都是在试验中。为使制作石墨硬碳毡能有一成熟的工艺技术，这一课题摆在了我们面前。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨硬碳毡的制备方法，以适应我国工业发展的需求。所说的石墨硬碳毡可采用商业化的毡坯原材料，如上海新兴碳素有限公司生产的聚丙烯睛基平板毡坯并进行预氧化处理后，这是一种由聚丙烯睛基纤维编织而成的毡坯形材料；或用碳纤维经切短梳理成网，再经针刺成特厚碳毡平板坯，以上两种材料均采用高温碳化后得到碳毡；本发明的石墨硬碳毡是在以上材料已形成软质碳毡基础上，经以下步骤制成石墨硬碳毡。制备方法包括如下步骤：

所述的一种石墨硬碳毡的制备方法的第一步骤是将碳毡在硝酸溶液中浸泡或煮沸2～3h后凉干，在750～1200℃下焙烧2～3h，硝酸溶液的质量浓度以200～400°为适宜；

将得到的碳毡浸泡在含有可溶性金属盐的水溶液中，水溶液中可加入有机溶剂，有机溶剂选自乙醇、丙酮、异丙醇或乙二醇等，以增强石墨毡的润湿性；水溶液中，有机溶剂的体积浓度以20～40％为适宜；可溶性金属盐包括铁、钻、镍或铜等的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐或醋酸盐，水溶液中金属离子重量浓度为5％～8％；浸泡2～10h后取出晾干，然后在250～700℃温度下加热1～3h，使碳毡上的金属盐转化为金属氧化物；接着将负载有金属氧化物的碳毡在还原性气氛中升温至850～900℃并保持1～6h，碳毡上的金属氧化物被还原为金属。

然后通入反应性气体，反应性气体选自一氧化碳、甲烷、乙烷或乙烯中的一种与氢的混合物，同时在2400～2500℃温度下进行石墨化高温处理，最后得到石墨硬碳毡材料。

采用本发明方法制备的石墨硬碳毡，具有较大的密度，和很高的机械(抗压和抗弯曲)强度，并具有中孔特征和很大的外表面积，是一种新型的石墨硬碳毡。

具体实施方式

实施例一

(1)所述的一种石墨硬碳毡的制备方法第一步骤是：聚丙烯睛基平板毡坯进行预氧化处理，这是一种由聚丙烯睛基纤维编织而成的毡坯形材料；采用快速升温至750℃、保温5h碳化后得到碳毡；

(2)所述的一种石墨硬碳毡的制备方法第二步骤是将碳毡在硝酸溶液中浸泡2h后凉干，在750℃下焙烧2h，硝酸溶液的质量浓度以200°为适宜；

(3)将步骤(1)和(2)得到的碳毡浸泡在含有可溶性金属盐的水溶液中，水溶液中可加入有机溶剂，有机溶剂选自乙醇、丙酮、异丙醇或乙二醇等，以增强石墨毡的润湿性；水溶液中，有机溶剂的体积浓度以20％为适宜；可溶性金属盐包括铁、钻、镍或铜等的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐或醋酸盐，水溶液中金属离子重量浓度为5％；浸泡2h后取出晾干，然后在250℃温度下加热1h，使碳毡上的金属盐转化为金属氧化物；接着将负载有金属氧化物的碳毡在还原性气氛中升温至850℃并保持2h，碳毡上的金属氧化物被还原为金属。

(3)然后通入反应性气体，反应性气体选自一氧化碳、甲烷、乙烷或乙烯中的一种与氢的混合物，同时升温至2500℃石墨化高温处理4h，最后得到石墨硬碳毡材料。

实施例二

(1)所述的一种石墨硬碳毡的制备方法：是用碳纤维经切短梳理成网，再经针刺成特厚碳毡平板坯，采用1000℃高温、保温4h碳化后得到碳毡；

(2)所述的一种石墨硬碳毡的制备方法的第二步骤是将碳毡在硝酸溶液中浸泡或煮沸3h后凉干，在1200℃下焙烧3h，硝酸溶液的质量浓度以400°为适宜；

(3)将步骤(1)和(2)得到的碳毡浸泡在含有可溶性金属盐的水溶液中，水溶液中可加入有机溶剂，有机溶剂选自乙醇、丙酮、异丙醇或乙二醇等，以增强石墨毡的润湿性；水溶液中，有机溶剂的体积浓度以40％为适宜；可溶性金属盐包括铁、钻、镍或铜等的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐或醋酸盐，水溶液中金属离子重量浓度为8％；浸泡10h后取出晾干，然后在700℃温度下加热3h，使碳毡上的金属盐转化为金属氧化物；接着将负载有金属氧化物的碳毡在还原性气氛中升温至900℃并保持4h，碳毡上的金属氧化物被还原为金属。

(4)然后通入反应性气体，反应性气体选自一氧化碳、甲烷、乙烷或乙烯中的一种与氢的混合物，同时升温2400℃温度并保温4h进行石墨化高温处理，最后得到石墨硬碳毡材料。

经以上步骤处理的碳毡，其石墨化高温处理和由水溶液中金属离子的变化，使碳毡改变为硬质，其各项性能指标如下：

石墨硬碳毡物理性能：抗压强度：115～191Mpa；抗拉强度：35～49Mpa；抗折强度：55～85Mpa；电阻率：15～19μΩ.m；灰分：0.05％；体积密度：1.85～1.89g/cm3；孔隙率：5～8％；肖氏硬度：59～85；最大粒子径：4.5～16μm；热导率：75～115W/m.K。

Claims (4)

1、一种石墨硬碳毡的制备方法，其特征在于：将碳毡在硝酸溶液中浸泡或煮沸2～3h后凉干，在750～1000℃下焙烧2～3h；将得到的碳毡浸泡在含有可溶性金属盐的水溶液中，浸泡2～10h后取出晾干，然后在250～700℃温度下加热1～3h，使碳毡上的金属盐转化为金属氧化物；接着将负载有金属氧化物的碳毡在还原性气氛中升温至850～900℃并保持2～4h，碳毡上的金属氧化物被还原为金属；然后通入反应性气体，在2400～2500℃石墨化高温处理4h，最后得到石墨硬碳毡；本发明物理性能指标：抗压强度：113～189Mpa；抗拉强度：30～47Mpa；抗折强度：50～78Mpa；电阻率：13～18μΩ.m；灰分：0。05％；体积密度：1.83～1.87g/cm3；孔隙率：4～7％；肖氏硬度：57～80；最大粒子径：5～15μm；热导率：70～105W/m.K。

2、根据权利要求1所述的一种石墨硬碳毡的制备方法，其特征在于：硝酸溶液的质量浓度为200～400°。

3、根据权利要求1所述的一种石墨硬碳毡的制备方法，其特征在于：其水溶液中有机溶剂的体积浓度为20～40％；水溶液中金属离子重量浓度为5％～8％。

4、根据权利要求1所述的一种石墨硬碳毡的制备方法，其特征在于：反应性气体选自一氧化碳、甲烷、乙烷或乙烯中的一种与氢的混合物。