CN114798378A - 一种碳片及其铝硅复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳片及其铝硅复合材料，涉及真空泵碳片领域。包括碳片，所述碳片由石墨制成，其特征在于，还包括包覆所述碳片的耐磨涂层；碳片铝硅复合材料的制备步骤为：先将粉状铝硅合金和可挥发性粘结剂混合制得粘稠膏体；再将粘稠膏体涂覆在所述碳片上，同时在成膜机上定型，形成耐磨涂层并在室温下风干10‑20h，进而对碳片和耐磨涂层在100℃‑150℃的温度下烘干2‑4h后得到耐磨复合碳片基体；最后将耐磨复合碳片基体放置于真空炉中进行真空烧覆，去除可挥发性粘结剂，冷却得到碳片铝硅复合材料，该耐磨涂层的使用极大地增加碳片的耐磨性能。

Description

一种碳片及其铝硅复合材料
技术领域
本发明涉及真空泵碳片领域，具体涉及一种碳片及其铝硅复合材料。
背景技术
真空泵碳片又名真空泵碳精片，真空泵碳片制造材质为石墨材料碳粒子加工制造而成。真空泵碳片普遍运用在旋片式真空泵转子槽内，真空泵转子以及碳片均被密封在真空泵缸体内部，采用真空泵油作为润滑介质起着增加真空泵碳片与缸体接触面积的作用下从而达到理想状态下极限真空。
真空泵碳片是真空泵获得真空的主要部件。缺损、碎裂都会影像与缸体间的密封性和贴合度。缺损的太大，一定会影像真空度和抽速。建议及时更换，避免因碳片受离心力的影像在缸体内跳动，时间长后容易磨缸或卡死。
旋片式真空泵在使用过程中，其中转子部中插接的碳片在缸壁一端抵触并不断旋转，碳片在工作时与缸壁的抵接处不断被磨损，同时碳片被磨损的碳粒子会从排气口排出，粉尘量较大，使得真空泵的使用环境较差；被磨短的碳片在真空泵工作上无法与缸壁的一端紧密抵结，进而导致真空泵的真空效果变差，因此在为了保证较好的真空效果，真空泵在较大强度的工作时，一个月之后只能有原始真空效果的50％-60％，因此需要在一个月左右更换碳片，同时碳片在使用时，发生的碳片断裂的情况也时有发生，碰到硬度太高碳片容易磨损缸壁，不利于大规模的高强度生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳片及其铝硅复合材料，基于现有的旋片式真空泵进行了改进；
本发明所要解决的技术问题：
(1)碳片在使用时与缸壁的摩擦会产生碳粉散逸，灰尘量较大；
(2)碳片在发生磨损后，无法与缸壁进行较好的抵接，降低真空泵的真空效果；
(3)硬度较大的碳片会磨损缸壁，降低真空泵的使用寿命。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种碳片及其铝硅复合材料，包括碳片，所述碳片由石墨制成，还包括包覆所述碳片的耐磨涂层，所述耐磨涂层用于提升所述碳片的耐磨性能；。
碳片铝硅复合材料的制备步骤为：先将粉状铝硅合金和可挥发性粘结剂混合制得粘稠膏体；再将粘稠膏体涂覆在所述碳片上，在成膜机上定型，形成耐磨涂层在室温下风干10-20h，进而对碳片和耐磨涂层在100℃-150℃的温度下烘干2-4h后得到耐磨复合碳片基体；最后将耐磨复合碳片基体放置于真空炉中进行真空烧覆，去除可挥发性粘结剂，冷却得到碳片铝硅复合材料。
本发明为了制备在碳片外侧包覆的耐磨涂层，将用于包覆的填料铝硅合金粉末与可挥发性的粘结剂混合，制成粘稠的膏状物，再将膏状物均匀涂覆在碳片的表面，通过风干，使得膏状物在碳片上自然成型，保证均匀度，在烘干后，对耐磨涂层进行真空烧结，使得可挥发性粘结剂从耐磨涂层中溢出，从而减少粘结性形成的气孔，烧结后耐磨涂层中气孔减少，材料的致密性提高，耐磨性能更佳。
同时本发明在碳片上涂覆的耐磨涂层，在真空泵上工作时，耐磨涂层相较于碳片在与缸壁摩擦时，其磨损所产生的的粉尘量远低于碳片直接与缸壁摩擦产生的粉尘量。进而本发明的耐磨涂层在使用超过两个月，依旧能保留原先真空泵产生的真空效果的80％-90％。
所述可挥发性粘结剂为水玻璃、聚乙二醇、或饱和松香溶液中的一种，所述耐磨涂层的预制厚度为0.5-2mm。
所述真空烧覆的温度为100℃-300℃，保温时间为40-60min。
所述碳片的制备方法为：(1)利用石墨与浓硫酸共混均匀，再加入高锰酸钾升温至60-70℃，反应3～4h，，待反应物冷却后，先用稀盐酸清洗，再用去离子水清洗，离心干燥得到石墨氧化物
(2)将表面活性剂溶于装有去离子水的容器中，再加入浓硫酸进行搅拌，然后加入司盘80，搅拌形成均一的乳状液，然后加入所述石墨氧化物并逐滴加入酚醛树脂，于40-50℃下持续搅拌8-10h。停止搅拌，过滤离心后将温度升至70-80℃静置得到产物A。
(3)在合成的产物A表面均匀涂覆环氧树脂，然后覆上脱膜布并用密封袋封住，将密封袋置于鼓风干燥箱中，在120～130℃下对体系抽真空至热固化结束，固化1～2h后，自然冷却至室温，脱去脱膜布，得到黑色产物，再将黑色产物冷却至室温后进行成模定型得到碳片。
真空泵中使用碳片的原因在于其耐热性能好，导热性能差；而在本发明利用耐磨涂层涂覆碳片，虽然提升了其耐磨性能，但是由于碳片外侧包覆的铝硅合金的导热性，同时在铝硅合金和碳片的交汇处热量无法进行很好地热传递，从而形成保温层，使得热量驻留在碳片周围难以逸散，从而具有耐磨涂层的碳片的温度上升速率较快，长时间高温工作容易造成真空泵的损坏，因此添加了耐磨涂层的碳片会降低真空泵的持续使用时间；
在使用添加耐磨涂层的碳片之后，当进口端压强处于6500Pa时，真空泵工作三分钟其内部温度便会超过80℃，真空泵长时间在80℃之上的温度工作，极易造成真空泵的损坏。
基于此，本发明先通过浓硫酸和高锰酸钾对石墨进行处理，得到石墨氧化物，再利用环氧树脂固化处理石墨氧化物，使得形成的石墨氧化物和环氧树脂的复合材料的碳片具有更好地导热性能，使得该复合材料形成的碳片与耐磨涂层之间能够更好地实现热传递，提升热量散逸的区域，通过利用环氧树脂热固化石墨氧化物后制得的碳片在进口端压强为6500Pa，连续工作10min后，温度上升到80℃之上。
同时本发明进一步地，在石墨氧化物和环氧树脂固化的阶段中加入了司盘80，本发明中利用司盘80作为一种扩孔剂使用，利用司盘80使得石墨氧化物中的碳层间隙增大，通过添加的司盘80能够更好地扩大石墨氧化物之间碳层的层距，使得环氧树脂能更好地渗入石墨氧化物之间的层状结构中，使得石墨氧化物的固化效果提高，进而进一步地提升改进的碳片的导热性能；在利用司盘80处理石墨氧化物之后在进行热固化得到的碳片，在真空泵中进行工作时，在进口端压强为6500Pa，连续工作1h后，温度上升到80℃之上。
所述石墨与司盘80的重量比为10-30:3-6。
所述铝硅合金的制备方法为：将铝硅合金加入0.3-0.4mol/L的盐酸溶液中，搅拌8-10h，过滤离心得到含有孔道的铝硅合金。
进一步地，为了进一步降低碳片和耐磨涂层的温度上升速率，延长真空泵高强度的持续工作时间，本发明利用无机酸(盐酸、硫酸和硝酸等)对耐磨涂层进行处理，无机酸会对铝硅合金中的部分金属元素酸蚀，从而在处理后的铝硅合金中产生气孔，利用耐磨涂层上的气孔进一步加快热量的散逸速度。
所述耐磨涂层的制备方法为：按重量计，将双酚A型环氧树脂25-55份、硅烷偶联剂0.4-2份、聚硫醇固化剂30-36份、铝硅合金颗粒130-190份、木质纤维素3-10份和少量加工助剂混合均匀后，短暂固化1h，形成粘稠状的耐磨涂层膏体，将膏体涂覆在所述碳片上，完全固化后形成耐磨涂层。
在利用环氧树脂固化石墨氧化物制备成的碳片虽然提高了散热效果，但是在使用过程中，发现该碳片与外侧的耐磨涂层的粘结性较差，在使用时，常常会发生耐磨涂层从碳片上的断裂脱离的现象；
基于此，本发明进一步地，通过利用双酚A型环氧树脂配合硅烷偶联剂提升铝硅合金的粘结性，通过聚硫醇固化剂保证树脂与金属材料的相容性。
更进一步地为了提升石墨氧化物和树脂制备而成的碳片，和利用双酚A型环氧树脂配合硅烷偶联剂混合制成的耐磨涂层的粘结性能，在制备碳片过程中，在碳片正在冷却定型时，可以将该粘稠膏状的耐磨涂层涂覆在正在定型的碳片上；此时耐磨涂层中的木质纤维素在沉降的过程中，慢慢会从熔融的耐磨涂层中渗进一部分进入未成型的碳片中，随着碳片和耐磨涂层的定型，二者之间的木质纤维素会进一步提升二者的粘结性能。
所述硅烷偶联剂为2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷的组合。
所述铝硅合金颗粒粒径为0.5-1mm。
包括所述碳片和碳片铝硅复合材料在真空泵中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在碳片外侧涂覆的耐磨涂层，该耐磨涂层的使用极大地增加碳片的耐磨性能，使得碳片在真空泵中旋转时，外侧的耐磨涂层在与缸壁接触时，相较于原本的碳片能够降低磨损度，延长使用时间，相对于现有碳片在真空泵中1000Pa的进口端压力下连续工作3h，现有碳片一个月之后只能有原始真空效果的50％-60％，本发明添加了耐磨涂层的碳片在相同条件下使用超过两个月，依旧能保留原先真空泵产生的真空效果的80％-90％。
(2)本发明通过对耐磨涂层进行真空烧结，使得可挥发性粘结剂从耐磨涂层中溢出，从而减少粘结性形成的气孔，烧结后耐磨涂层中气孔减少，材料的致密性提高，耐磨性能更佳。
(3)本发明本发明先通过浓硫酸和高锰酸钾对石墨进行处理，得到石墨氧化物，再利用环氧树脂固化处理石墨氧化物，使得形成的石墨氧化物和环氧树脂的复合材料的碳片具有更好地导热性能，使得该复合材料形成的碳片与耐磨涂层之间能够更好地实现热传递，提升热量散逸的区域，相对于本发明添加了耐磨涂层的碳片在进口端压强处于6500Pa时，真空泵工作三分钟其内部温度便会超过80℃；本发明通过利用环氧树脂热固化石墨氧化物后制得的碳片在进口端压强为6500Pa，连续工作30min后，温度才会上升到80℃之上。。
(4)在石墨氧化物和环氧树脂固化的阶段中加入了司盘80，本发明中利用司盘80作为一种扩孔剂使用，利用司盘80使得石墨氧化物中的碳层间隙增大，通过添加的司盘80能够更好地扩大石墨氧化物之间碳层的层距，使得环氧树脂能更好地渗入石墨氧化物之间的层状结构中，使得石墨氧化物的固化效果提高，进而进一步地提升改进的碳片的导热性能；在利用司盘80处理石墨氧化物之后在进行热固化得到的碳片，在真空泵中进行工作时，在进口端压强为6500Pa，连续工作1h后，温度上升到80℃之上。
(5)本发明利用无机酸(盐酸、硫酸和硝酸等)对耐磨涂层进行处理，无机酸会对铝硅合金中的部分金属元素酸蚀，从而在处理后的铝硅合金中产生气孔，利用耐磨涂层上的气孔进一步加快热量的散逸速度。
(6)本发明通过利用双酚A型环氧树脂配合硅烷偶联剂提升铝硅合金的粘结性，通过聚硫醇固化剂保证树脂与金属材料的相容性。更进一步地为了提升石墨氧化物和树脂制备而成的碳片，和利用双酚A型环氧树脂配合硅烷偶联剂混合制成的耐磨涂层的粘结性能，在制备碳片过程中，在碳片正在冷却定型时，可以将该粘稠膏状的耐磨涂层涂覆在正在定型的碳片上；此时耐磨涂层中的木质纤维素在沉降的过程中，慢慢会从熔融的耐磨涂层中渗进一部分进入碳片的树脂中，随着碳片和耐磨涂层的定型，二者之间的木质纤维素会进一步提升二者的粘结性能。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
对比例1：贝克真空泵碳片VT4.40(95*43*4)；
实施例1：
碳片的选择：对贝克真空泵碳片VT4.40(95*43*4)进行打磨，除去厚度为0.5mm的石墨层；
耐磨涂层的制备：将粉状铝硅合金50g和饱和松香溶液10ml混合制得粘稠膏体；再将粘稠膏体涂覆在碳片上，形成0.5mm厚度的耐磨涂层，同时在成膜机上定型，形成耐磨涂层并在室温下风干15h，进而对碳片和耐磨涂层在125℃的温度下烘干3h后得到耐磨复合碳片基体；最后将耐磨复合碳片基体放置于真空炉中进行200℃真空烧结50min，去除可挥发性粘结剂，冷却得到碳片铝硅复合材料。
铝硅合金粉末购自北京中科言诺新材料科技有限公司，纯度99.5％(2N5)，目数150。
实施例2:
碳片的制备方法
(1)利用石墨与浓硫酸共混均匀，再加入高锰酸钾升温至65℃，反应3.5h，，待反应物冷却后，先用稀盐酸清洗，再用去离子水清洗，离心干燥得到石墨氧化物
(2)将表面活性剂溶于装有去离子水的容器中，再加入浓硫酸进行搅拌，然后加入司盘80，搅拌形成均一的乳状液，然后加入所述石墨氧化物并逐滴加入酚醛树脂，于45℃下持续搅拌9h。停止搅拌，过滤离心后将温度升至75℃静置得到产物A。
(3)在合成的产物A表面均匀涂覆环氧树脂，然后覆上脱膜布并用密封袋封住，将密封袋置于鼓风干燥箱中，在125℃下对体系抽真空至热固化结束，固化1.5h后，自然冷却至室温，脱去脱膜布，得到黑色产物，再将黑色产物冷却至室温后进行成模定型得到碳片。
实施例3：
在实施例2制得的碳片进一步添加耐磨涂层；
耐磨涂层的制备：将粉状铝硅合金50g和饱和松香溶液10ml混合制得粘稠膏体；再将粘稠膏体涂覆在碳片上，形成0.5mm厚度的耐磨涂层，同时在成膜机上定型，形成耐磨涂层并在室温下风干15h，进而对碳片和耐磨涂层在125℃的温度下烘干3h后得到耐磨复合碳片基体；最后将耐磨复合碳片基体放置于真空炉中进行200℃真空烧结50min，去除可挥发性粘结剂，冷却得到碳片铝硅复合材料。
实施例4：
将实施例3制得的碳片铝硅复合材料利用无机酸(盐酸、硫酸和硝酸等)进行浸泡静置9h后得到含有气孔的碳片铝硅复合材料。
实施例5：
耐磨涂层的制备方法：
按重量计，将双酚A型环氧树脂40份、硅烷偶联剂1份、聚硫醇固化剂33份、铝硅合金颗粒160份、木质纤维素6份和少量加工助剂混合均匀后，短暂固化1h，形成粘稠状的耐磨涂层膏体。
所述碳片选自对比例1。
对贝克真空泵碳片VT4.40(95*43*4)进行打磨，除去厚度为0.5mm的石墨层；
将耐磨涂层涂覆在碳片上，形成0.5mm厚度的耐磨涂层，同时在成膜机上定型，形成耐磨涂层并在室温下风干15h，进而对碳片和耐磨涂层在125℃的温度下烘干3h后得到耐磨复合碳片基体；最后将耐磨复合碳片基体放置于真空炉中进行200℃真空烧结50min，去除可挥发性粘结剂，冷却得到碳片铝硅复合材料。
实施例6：
碳片选自实施例2，耐磨涂层与实施例5相同，。
将耐磨涂覆在碳片上，形成0.5mm厚度的耐磨涂层，同时在成膜机上定型，形成耐磨涂层并在室温下风干15h，进而对碳片和耐磨涂层在125℃的温度下烘干3h后得到耐磨复合碳片基体；最后将耐磨复合碳片基体放置于真空炉中进行200℃真空烧结50min，去除可挥发性粘结剂，冷却得到碳片铝硅复合材料。
实施例7：
碳片的制备方法
(1)利用石墨与浓硫酸共混均匀，再加入高锰酸钾升温至65℃，反应3.5h，，待反应物冷却后，先用稀盐酸清洗，再用去离子水清洗，离心干燥得到石墨氧化物
(2)将表面活性剂溶于装有去离子水的容器中，再加入浓硫酸进行搅拌，然后加入司盘80，搅拌形成均一的乳状液，然后加入所述石墨氧化物并逐滴加入酚醛树脂，于45℃下持续搅拌9h。停止搅拌，过滤离心后将温度升至75℃静置得到产物A。
(3)在合成的产物A表面均匀涂覆环氧树脂，然后覆上脱膜布并用密封袋封住，将密封袋置于鼓风干燥箱中，在125℃下对体系抽真空并固化0.5h得到熔融物A，再将由双酚A型环氧树脂40份、硅烷偶联剂1份、聚硫醇固化剂33份、铝硅合金颗粒160份、木质纤维素6份和少量加工助剂混合均匀形成的混合物均匀涂覆在熔融物A的表面，并热固化1h后得到碳片铝硅复合材料。
耐磨性能测试：橡胶砂轮法：按照国家标准《GB/T1768—79(89)》规定，采用JM-1型漆膜耐磨仪，得到表1：
Figure BDA0003614902080000111
Figure BDA0003614902080000121
真空泵选自普诺克PNKSP系列单级旋片泵，进口端压力6500pa工作三分钟，测试各实施例下真空泵缸内的温度得到表2：
初始温度/℃ 最终温度/℃
对比例1 25 63
实施例1 25 84
实施例2 25 33
实施例3 25 47
实施例4 25 41
实施例5 25 55
实施例6 25 57
实施例7 25 54
在耐磨涂层的表面粘上一个弹性薄层材料,并由试样边缘连同耐磨涂层一起从碳片上剥离少许,然后将一圆柱形楔***耐磨涂层和碳片之间。通过缓慢地推动这一圆柱形楔,使涂层从基片上剥离下来。测量推动圆柱形楔所需的力,换算得到剪切强度，得到表3：
Figure BDA0003614902080000131
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种碳片及其铝硅复合材料，包括碳片，所述碳片由石墨制成，其特征在于，还包括包覆所述碳片的耐磨涂层；
碳片铝硅复合材料的制备步骤为：先将粉状铝硅合金和可挥发性粘结剂混合制得粘稠膏体；再将粘稠膏体涂覆在所述碳片上，同时在成膜机上定型，形成耐磨涂层并在室温下风干10-20h，进而对碳片和耐磨涂层在100℃-150℃的温度下烘干2-4h后得到耐磨复合碳片基体；最后将耐磨复合碳片基体放置于真空炉中进行真空烧覆，去除可挥发性粘结剂，冷却得到碳片铝硅复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，所述可挥发性粘结剂为水玻璃、聚乙二醇、或饱和松香溶液中的一种，所述耐磨涂层的预制厚度为0.5-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，所述真空烧覆的温度为100℃-300℃，保温时间为40-60min。
4.根据权利要求1所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，所述碳片的制备方法为：
(1)利用石墨与浓硫酸共混均匀，再加入高锰酸钾升温至60-70℃，反应3～4h，，待反应物冷却后，先用稀盐酸清洗，再用去离子水清洗，离心干燥得到石墨氧化物；
(2)将表面活性剂溶于装有去离子水的容器中，再加入浓硫酸进行搅拌，然后加入司盘80，搅拌形成均一的乳状液，然后加入所述石墨氧化物并逐滴加入环氧树脂，于40-50℃下持续搅拌8-10h。停止搅拌，将温度升至70-80℃静置得到产物A；
(3)在合成的产物A表面均匀涂覆环氧树脂，然后在密封条件下通过鼓风干燥箱干燥处理，之后在100-110℃下对体系抽真空，固化1～2h后，自然冷却至室温，脱去脱膜布，得到黑色产物，再将黑色产物冷却至室温后进行成模定型得到碳片。
5.根据权利要求4所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，所述石墨与司盘80的重量比为10-30:3-6。
6.根据权利要求1所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，所述铝硅合金的制备方法为：将铝硅合金加入0.3-0.4mol/L的盐酸溶液中，搅拌8-10h，过滤离心得到含有孔道的铝硅合金。
7.根据权利要求4所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，所述耐磨涂层的制备方法为：按重量计，将双酚A型环氧树脂25-55份、硅烷偶联剂0.4-2份、聚硫醇固化剂30-36份、铝硅合金颗粒130-190份、木质纤维素3-10份和少量加工助剂混合均匀后，短暂固化1h，形成粘稠状的耐磨涂层膏体，将膏体涂覆在所述碳片上，完全固化后形成耐磨涂层。
8.根据权利要求7所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷的组合。
9.根据权利要求7所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，所述铝硅合金颗粒粒径为0.5-1mm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种碳片及其铝硅复合材料，其特征在于，包括铝硅复合材料制备碳片，以及碳片铝硅复合材料在真空泵中的应用。
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