本發(fā)明涉及一種高性能各向同性石墨材料的制備方法。確切的說，本發(fā)明所涉及高性能石墨材料，是采用硅摻雜的方法，以中間相小球?yàn)樵希ㄟ^自燒結(jié)工藝制成各向同性石墨材料。
技術(shù)背景
石墨是一種由碳元素組成的單質(zhì)材料，其基本結(jié)構(gòu)是碳六元環(huán)組成的層狀結(jié)構(gòu)的疊加。由于層面碳六元環(huán)和層間物理結(jié)合不同導(dǎo)致石墨材料存在著各向異性，一般石墨產(chǎn)品各向同性度大于1.1。由于應(yīng)用場合的不同，人們對石墨材料的要求不同，在許多情況下希望石墨的各向異性小些，如核反應(yīng)堆用的核石墨。
石墨的制備方法很多，目前應(yīng)用最廣泛的是骨料和粘結(jié)劑混合、成型、焙燒、石墨化工藝。由于原料包含骨料和粘結(jié)劑，最終形成的碳的結(jié)構(gòu)與其碳原子來源有關(guān)，這兩種原料(骨料和粘結(jié)劑)形成的碳原子之間有較為明顯的界面，而且粘結(jié)劑焙燒期間存在大量的質(zhì)量損失，導(dǎo)致初期成型體中存在大量的孔洞，需要多次浸漬增密以提高石墨的性能。因此，許多研發(fā)人員探索無粘結(jié)劑成型的石墨制作工藝。其中以中間相小球?yàn)樵希闷渥陨淼拇嬖诘恼辰Y(jié)性自燒結(jié)制備的石墨材料各向異性度低，性能優(yōu)良(宋永忠等，中間相碳微球模壓高密高強(qiáng)碳/石墨材料的sem研究，《宇航材料工藝》2004，第2期，49-53)。中間相小球是瀝青縮聚成為向列型液晶態(tài)的一種球形物質(zhì)，其內(nèi)部是由多環(huán)芳烴化合物堆疊的結(jié)構(gòu)，宏觀上是5-25微米的球形物質(zhì)，它含有5-12％的揮發(fā)份，因此具有自粘結(jié)性。
石墨是由碳原子組成的單質(zhì)，其性質(zhì)與碳六元環(huán)的排列和內(nèi)部缺陷有關(guān)。一般石墨材料在抗彎強(qiáng)度在100mpa以下，上述中間相小球自燒結(jié)工藝得到的石墨彎曲強(qiáng)度可超過100mpa，但仍然不能滿足許多工況的要求，如抗氧化性能。摻雜陶瓷組分是提高石墨材料力學(xué)和抗氧化性能的一個(gè)有效方法(邱海鵬，摻雜硅再結(jié)晶石墨微觀結(jié)構(gòu)及其性能的研究，《航空材料學(xué)報(bào)》2002，第3期，16-20)，摻雜后石墨的抗氧化性能和力學(xué)性能都得到有效提高。通常摻雜是采用微米級顆粒混合的方法，由于摻雜組元顆粒度較大，存在著元素分布不均勻、利用率不高的缺點(diǎn)，而降低摻雜組元的顆粒度可以很大程度上克服上述缺點(diǎn)。
本專利基于中間相小球自燒結(jié)成型工藝，通過納米摻雜的方法，制備高性能各向同性石墨材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明是涉及一種高性能各向同性石墨材料的制備方法，具體為以硅溶膠為硅元素前軀體，中間相小球?yàn)樘记败|體，以中間相小球內(nèi)部微孔和表面為硅溶膠的擔(dān)載部位，經(jīng)浸漬、干燥、成型、焙燒、石墨化工藝制成硅摻雜各向同性石墨材料。
硅摻雜的石墨材料制備方法如下：
(1)將平均直徑6-20μm、揮發(fā)份含量在7-12wt％的中間相小球用含氧化硅20-40wt％的硅溶膠真空浸漬，在120℃干燥脫水后得到含納米氧化硅的中間相小球。
(2)將步驟1中的中間相小球裝入模具中，在100-200mpa壓力下成型，得到坯體材料。
(3)將坯體材料在非氧化氣氛中焙燒至1000-1300℃得到炭制品，然后在非氧化氣氛中高溫石墨化至2000-2200℃得到石墨產(chǎn)品。
所得的產(chǎn)品為碳陶復(fù)合材料，由于硅的引入，抗氧化性能和力學(xué)性能都得到提高。
納米摻雜使硅元素分布更加均勻，利用率也得到提高。所制備的材料具有各向同性度高、強(qiáng)度高和抗氧化性好的特點(diǎn)。
具體實(shí)施方式：
實(shí)施例1
本實(shí)施例是對比例。取平均直徑15μm的中間相小球，該小球揮發(fā)份為10.2wt％，將小球放入模具中，在200mpa下壓制2小時(shí)，脫模后得到初級坯體，將坯體在非氧化氣氛中碳化至1200℃，然后在2100℃石墨化，得到石墨材料。該材料的彎曲強(qiáng)度為97mpa，密度為1.70克/cm3，各向同性度1.06，1200℃空氣中1小時(shí)失重20.9wt％。
實(shí)施例2
取平均直徑15μm的中間相小球，該小球揮發(fā)份為10.2wt％。采用固含量20％的硅溶膠在真空下浸漬該小球，120℃下干燥后將小球放入模具中，在100mpa下壓制2小時(shí)，脫模后得到初級坯體，將坯體在非氧化氣氛中碳化至1000℃，然后在2200℃石墨化，得到石墨材料。該材料的彎曲強(qiáng)度為137mpa，密度為1.82克/cm3，各向同性度1.05，硅含量1.3wt％，1200℃空氣中1小時(shí)失重5.9wt％。
實(shí)施例3
取平均直徑20μm的中間相小球，該小球揮發(fā)份為12wt％。采用固含量20％的硅溶膠在真空下浸漬該小球，120℃下干燥后將小球放入模具中，在200mpa下壓制2小時(shí)，脫模后得到初級坯體，將坯體在非氧化氣氛中碳化至1100℃，然后在2100℃石墨化，得到石墨材料。該材料的彎曲強(qiáng)度為122mpa，密度為1.71克/cm3，各向同性度1.07，硅含量0.3wt％，1200℃空氣中1小時(shí)失重11.3wt％。
實(shí)施例4
取平均直徑15μm的中間相小球，該小球揮發(fā)份為10.2wt％。采用固含量30％的硅溶膠在真空下浸漬該小球，120℃下干燥后將小球放入模具中，在200mpa下壓制2小時(shí)，脫模后得到初級坯體，將坯體在非氧化氣氛中碳化至1300℃，然后在2200℃石墨化，得到石墨材料。該材料的彎曲強(qiáng)度為130mpa，密度為1.79克/cm3，各向同性度1.05，硅含量2.0wt％，1200℃空氣中1小時(shí)失重4.6wt％。
實(shí)施例5
取平均直徑10μm的中間相小球，該小球揮發(fā)份為8.2wt％。采用固含量40％的硅溶膠在真空下浸漬該小球，120℃下干燥后將小球放入模具中，在200mpa下壓制2小時(shí)，脫模后得到初級坯體，將坯體在非氧化氣氛中碳化至1200℃，然后在2000℃石墨化，得到石墨材料。該材料的彎曲強(qiáng)度為138mpa，密度為1.81克/cm3，各向同性度1.04，硅含量2.1wt％，1200℃空氣中1小時(shí)失重4.5wt％。
實(shí)施例6
取平均直徑6μm的中間相小球，該小球揮發(fā)份為7wt％。采用固含量40％的硅溶膠在真空下浸漬該小球，120℃下干燥。上述浸漬過程進(jìn)行2次，干燥后將小球放入模具中，在200mpa下壓制2小時(shí)，脫模后得到初級坯體，將坯體在非氧化氣氛中碳化至1000℃，然后在2000℃石墨化，得到石墨材料。該材料的彎曲強(qiáng)度為152mpa，密度為1.92克/cm3，各向同性度1.03，硅含量4wt％，1200℃空氣中1小時(shí)失重2.3wt％。