способ получения армированного графита

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРОВАННОГО ГРАФИТА, включающий смешивание измельченного углеродного наполнителя с волокнистым углеродным материалом и пеком, прессование полученной массы и последующие обжиг и графитацию полученных заготовок, отличающийся тем, что, с целью улучшения физико-механических свойств материала и повышения его изотропности, в качестве волокнистого углеродного материала используют углеродное или углеродсодержащее волокно диаметром 7 - 10 мкм и длиной 260 - 400 мкм в количестве 1,5 - 2,4 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеродное волокно предварительно пропитывают каменноугольным пеком.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения конструкционных углеродных материалов, в частности, изготовления графита, используемого в качестве конструкционных материалов в высокотемпературных процессах, антифрикционных, в полупроводниковой технике и других областях.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является способ [1], включающий смешение углеродного волокнистого материала с измельченным углеродным наполнителем и пеком, прессование из смеси заготовок и их последующий обжиг и графитацию. Причем углеродный волокнистый материал перед смешением покрывают антраценовой фракцией каменноугольной смолы с температурой кипения 320-360^оС и после графитации заготовки пропитывают пеком и дополнительно обжигают и графитируют.

Данный способ позволяет повысить физико-механические характеристики материала лишь при условии введения четырех дополнительных операций: двух пропиток пеком и двух обжигов, что удлиняет цикл получения конечного продукта как минимум на 800 ч. Кроме того, даже при соблюдении всех требований физико-механические характеристики не достигают мирового уровня для материалов данного класса.

Необходимо отметить, что величина коксового остатка из антраценовой фракции каменноугольной смолы после обжига значительно уступает коксовому остатку пека. Это существенно снижает прочностные характеристики прототипа по сравнению с предлагаемым способом.

Целью изобретения является улучшение физико-механических свойств и повышение изотропности материала.

Цель достигается тем, что способ получения армированного графита включает смешение измельченного углеродного наполнителя с волокнистым углеродным материалом, прессование полученной массы и термообработку полученных заготовок, причем при смешивании кокса с пеком вводят армирующее волокно диаметром 7-10 мкм и длиной 260-400 мкм в количестве 1,5-2,4 мас.%.

В качестве армирующего компонента служит смесь отходов ваты (ГОСТ 5679-85) с высокотемпературным каменноугольным пеком (ТУ 14-6-84-72) в соотношении 1: 1 по массе, предварительно термообработанная при 500^оС. Диаметр волокон составляет 7-10 мкм, длина от 260 до 400 мкм в количестве от 1,5 до 2,4 мас.%. Затем после смешивания при 115-120^оС в течение 25-30 мин полученную массу загружают в матрицу с температурой стенок 110-115^оС и прессуют при удельном давлении 10-20 МПа/см² с выдержкой при заданном давлении в течение 1 мин. Полученные заготовки загружают в металлические контейнеры с углеродной засыпкой из гранул прокаленного кокса размером 1-5 мм и загружают их в камеру газовой обжиговой печи. Длительность термообработки составляет 200-400 ч в зависимости от габаритов заготовок, максимальная температура 920^оС и выдержка при этой температуре 10-20 ч. После остывания до 60^оС заготовки выгружают и затем графитируют в электропечи сопротивления типа Ачесона до температуры не ниже 2600^оС со скоростью нагрева 45-50^оС/ч. После отключения и охлаждения керна печи до 400^оС графитированные заготовки выгружают и отправляют на механическую обработку.

Введение армирующего волокна в коксопековую композицию формирует при термообработке структуру материала, достаточно устойчивую к усилию сжатия, растяжения и изгиба. Это достигается за счет армирования волокнами микрообъемов материала. Важным фактором является и пропитка волокон пеком, что обеспечивает прочные коксовые мостики между частицами кокса и волокнами, что увеличивает прочность графита.

Применение волокон с диаметром менее 7 мкм нецелесообразно, поскольку резко увеличивается поверхность наполнителя, для смачивания которого необходимо вводить в композицию дополнительное количество связующего, что вызывает появление трещин при термообработке за счет интенсификации выделения летучих.

Применение волокна диаметром более 10 мкм увеличивает релаксацию формованных заготовок и уменьшает площадь контактов массы материала с армирующими элементами, что ведет к снижению свойств. Релаксация заготовок вызывает образование микротрещин и, как следствие, уменьшение прочностных характеристик конечного продукта.

Использование волокон длиной менее 260 мкм нецелесообразно, так как снижается их армирующий эффект, а более 400 мкм - вызывает появление участков с неоднородной структурой.

Введение волокна менее 1,5 мас.% не дает значительного улучшения физико-механических характеристик, а более 2,4 мас.% - вызывает образование микротрещин из-за повышенной упругости волокон, что снижает свойства.

Таким образом, применение данного способа без введения дополнительных технологических операций позволяет получить армированный материал с более высокими и стабильными свойствами по сравнению с известными аналогами.

П р и м е р 1. Непрокаленный нефтяной кокс марки КНПС (ГОСТ 22898-78) дробят и рассеивают по фракциям. В предварительно разогретую до 125^оС смесительную машину с Z-образными лопастями загружают среднетемпературный каменноугольный пек (марка А, ГОСТ 10200-83) в количестве 24,0 мас.% и после его расплавления и нагрева до 120^оС засыпают наполнитель - непрокаленный нефтяной кокс и углеродное волокно. Применяемое волокно получают дроблением в вибромельнице отходов углеродной ткани (ГОСТ 28005-88) до размеров отдельных волокон диаметром преимущественно 8 мкм (80%) и длиной около 300 мкм (80%).

Массу перемешивают в течение 20 мин, добавляют углеродное волокно в количестве 2 мас.% и перемешивают еще 10 мин до достижения температуры массы 120^оС.

Состав шихты: каменноугольный пек 24 мас.% фракция кокса с размерами частиц : от 1000 до 500 мкм 24%, от 500 до 100 мкм 25%, от 100 до 10 мкм 25%, углеродное волокно 2%.

Готовую массу при 120^оС загружают в матрицу диаметром 150 мм, предварительно нагретую до 110^оС, и прессуют при удельном давлении 15 МПа/см² с выдержкой под давлением 1 мин. Полученные таким путем заготовки диаметром 150 и длиной 180 мм обжигают в камере промышленной газовой печи в углеродной засыпке при 920^оС. Выдержка при максимальной температуре составляла 20 ч, а скорость подъема температуры 6^оС/ч. Выгрузку заготовок из контейнера производят после их охлаждения до 60^оС.

Обожженные заготовки графитируют в промышленной печи при максимальной температуре 2600^оС в среде хлора, средняя скорость нагревания составляла 45^оС/ч.

Остальные примеры NN 2-5 выполнены в соответствии с примером N 1 и отличаются диаметром, длиной волокна и т.д. (см. таблицу).

П р и м е р 6. В качестве армирующего элемента использовали смесь отходов технической ваты (ГОСТ 5679-85) с высокотемпературным каменноугольным пеком (ТУ 14-6-84-72), предварительно термообработанную при 500^оС, в виде частиц с размерами преимущественно 350 мкм (80%).

Частицы армирующего компонента получают следующим путем: в разогретую до 300^оС смесительную машину емкостью 10 л загружают 1,5 кг пека и после его расплавления и достижения температуры 280^оС загружают частями по 0,3 кг через каждые 5 мин техническую вату в общем количестве 1,5 кг. После загрузки последней части перемешивают ее, охлаждают и дробят до размера кусков мене 5 мм. Затем дробленый материал загружают в вибромельницу ВМ-10 в количестве 2 кг и диспергируют в течение 5 мин, выгружают и рассеивают для отделения волокна длиной от 5 до 400 мкм, преимущественно 350 мкм (80%). Указанную фракцию термообрабатывают при 500^оС и далее используют в качестве армирующего компонента.

В разогретую до 125^оС смесительную машину предварительно загружают пек, а после его расплавления и нагревания до 120^оС загружают остальные компоненты шихты и перемешивают 20 мин до достижения массой температуры 120^оС. Полученную массу прессуют и термообрабатывают аналогично примеру 1.

Состав шихты: каменноугольный пек 26 мас.%, фракция с размерами частиц от 1000 до 500 мкм 23%

от 500 до 100 мкм 23%

от 100 до 10 мкм 23%

армирующий компонент 5%.

В составе частиц армирующего компонента волокно составляет 40 мас.% после термообработки при 500^оС, т.е. содержание волокна в шихте 2 мас.%.

Анализируя полученные результаты, можно сделать заключение, что наиболее приемлемым способом для получения армированного графита является пример 1, где по сравнению с прототипом предел прочности графита при сжатии, растяжении, изгибе выше на 62, 83, 41%% соответственно, а коэффициент анизотропии в 5 раз меньше. Одновременно величина электросопротивления уменьшается на 25%. Однако плотность графита по прототипу, по сравнению с предложенным способом, несколько выше, что объясняется введением в технологический процесс четырех дополнительных операций: 2 пропитки пеком и 2 обжига.

Увеличение прочностных характеристик графита и их стабилизация позволяют удлинить эксплуатационный ресурс изделий в процессе их работы.