三维网状通孔石墨的制备方法及系统 |
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申请号 | CN202311726368.1 | 申请日 | 2023-12-14 | 公开(公告)号 | CN117700254A | 公开(公告)日 | 2024-03-15 |
申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 侯志保; 姚振强; 杜海峰; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种三维网状通孔 石墨 的制备方法及系统,包括:使用 增材制造 工艺制备出网状金属骨架;将石墨 碳 素 骨料 和黏结剂混捏,填充网状金属骨架中,进行 压制成型 ,随后进行 焙烧 处理;对含网状金属骨架的石墨制品进行 电解 处理,去除网状金属骨架,得到含有网状通孔的石墨体。本发明可以制备出具有网状通孔分布的石墨体,通孔的分布状态由网状金属骨架控制。 | ||||||
权利要求 | 1.一种三维网状通孔石墨的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤: |
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说明书全文 | 三维网状通孔石墨的制备方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及石墨制备的技术领域,具体地,涉及三维网状通孔石墨的制备方法及系统。 背景技术[0002] 石墨是碳元素的一种同素异形体,耐高温,具有良好的导电性、导热性与自润滑特性,可用于耐火材料、导电材料、电火花和电化学加工用电极材料、耐磨润滑材料、模具材料等等。石墨制品制备工艺流程可包括原料粉碎、提纯、混料、混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化等。根据石墨产品的使用需求及原料来源状况,上述工艺流程可进行调整。焙烧后尚未浸渍处理的石墨制品具有微小气孔,这种多孔石墨可以储存润滑油,制备出的轴承具有良好的润滑性能;同时对微气孔石墨进行浸渍处理,根据浸渍材料的不同,可以制备出不同复合材料的石墨制品,如浸树脂石墨、浸银石墨以及硅化石墨等等。由于石墨微孔包括开口和闭口形式,微孔之间没有形成大范围的区域联通,限制了浸渍深度,难以制备出大厚度的浸渍石墨。 [0003] 为了制备出大尺寸的浸渍石墨,研究人员分析了颗粒尺寸、焙烧温度等对石墨气孔分布状态的影响,并进行工艺优化,以获得所需的多孔石墨,但是仍难以突破石墨浸渍尺寸限制。因此需要设计一种能满足大尺寸浸渍的多孔石墨并提供相应的制备工艺方法。 [0004] 因此,需要提出一种新的技术方案。 发明内容[0006] 根据本发明提供的一种三维网状通孔石墨的制备方法,所述方法包括如下步骤: [0009] 步骤S3:对含三维网状金属骨架的石墨生制品进行电解处理,去除金属骨架,得到含有三维网状通孔的石墨生制品; [0010] 步骤S4:对去除金属骨架的石墨生制品进行焙烧处理和石墨化处理,得到含有三维网状通孔与微观气孔结合的石墨制品。 [0011] 优选地,所述步骤S2中的黏结剂为沥青或树脂; [0012] 所述压制成型方法为模压法或等静压成型法。 [0013] 优选地,所述步骤S3中的三维网状通孔的直径为0.1‑2mm; [0014] 所述三维网状通孔的分布构型由金属骨架控制,金属骨架构型包括三维垂直交叉型、三维螺旋型、三维环形阵列。 [0015] 优选地,所述步骤S3中: [0016] 将石墨生制品与阴极工具放入电解液中,石墨生制品与阴极工具之间存在间隙,该间隙充满电解液;将石墨生制品连接电源正极,阴极工具连接电源负极,接通电源后石墨生制品中的金属被电解腐蚀;完全去除金属后结束电解; [0017] 在电解反应系统中,石墨仅作为导体,不发生电化学反应;石墨中的金属作为阳极,被电解腐蚀生成金属离子进入电解液中,在石墨体中留下通孔,电解液填充该通孔,促使剩余金属继续被电解去除;当金属被完全去除时,发生水的电解反应。 [0018] 优选地,所述步骤S4中: [0019] 电解后石墨生制品中的金属骨架被腐蚀去除,留下三维宏观通道;焙烧后石墨制品存在微观气孔;三维宏观通道与微观气孔相连接,形成三维多孔石墨制品。 [0020] 本发明还提供一种三维网状通孔石墨的制备系统,所述系统包括如下模块: [0021] 模块M1:使用增材制造工艺制备三维网状金属骨架; [0022] 模块M2:将碳素骨料和黏结剂混捏,将混合物填充网状金属骨架中,进行压制成型,得到石墨生制品; [0023] 模块M3:对含三维网状金属骨架的石墨生制品进行电解处理,去除金属骨架,得到含有三维网状通孔的石墨生制品; [0024] 模块M4:对去除金属骨架的石墨生制品进行焙烧处理和石墨化处理,得到含有三维网状通孔与微观气孔结合的石墨制品。 [0025] 优选地,所述模块M2中的黏结剂为沥青或树脂; [0026] 所述压制成型系统为模压法或等静压成型法。 [0027] 优选地,所述模块M3中的三维网状通孔的直径为0.1‑2mm; [0028] 所述三维网状通孔的分布构型由金属骨架控制,金属骨架构型包括三维垂直交叉型、三维螺旋型、三维环形阵列。 [0029] 优选地,所述模块M3中: [0030] 将石墨生制品与阴极工具放入电解液中,石墨生制品与阴极工具之间存在间隙,该间隙充满电解液;将石墨生制品连接电源正极,阴极工具连接电源负极,接通电源后石墨生制品中的金属被电解腐蚀;完全去除金属后结束电解; [0031] 在电解反应系统中,石墨仅作为导体,不发生电化学反应;石墨中的金属作为阳极,被电解腐蚀生成金属离子进入电解液中,在石墨体中留下通孔,电解液填充该通孔,促使剩余金属继续被电解去除;当金属被完全去除时,发生水的电解反应。 [0032] 优选地,所述模块M4中: [0033] 电解后石墨生制品中的金属骨架被腐蚀去除,留下三维宏观通道;焙烧后石墨制品存在微观气孔;三维宏观通道与微观气孔相连接,形成三维多孔石墨制品。 [0034] 与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果: [0035] 1、本发明通过电解金属骨架制备出三维网状分布的通孔石墨,石墨通孔的分布状态由金属骨架构型控制,金属骨架由增材制造工艺制备,因此可以较为方便地制备出不同构型的网状通孔石墨,生产柔性度高; [0037] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显: [0038] 图1为三维垂直交叉型金属骨架示意图; [0039] 图2为三维垂直交叉型金属骨架示意图; [0040] 图3为三维环形金属骨架示意图; [0041] 图4为三维螺旋型金属骨架示意图; [0042] 图5为三维网状分布的通孔石墨示意图; [0043] 图6为含金属骨架的石墨生制品电解加工系统示意图; [0044] 图7为本发明的流程原理图。 [0045] 其中: [0046] 石墨生制品1 电源3 [0047] 阴极工具2 电解液容器4 [0048] 电解液5 具体实施方式[0049] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。 [0050] 实施例1: [0051] 参照图7,根据本发明提供的一种三维网状通孔石墨的制备方法,所述方法包括如下步骤: [0052] 步骤S1:使用增材制造工艺制备三维网状金属骨架; [0053] 步骤S2:将碳素骨料和黏结剂混捏,将混合物填充网状金属骨架中,进行压制成型,得到石墨生制品;黏结剂为沥青或树脂;压制成型方法为模压法或等静压成型法。 [0054] 步骤S3:对含三维网状金属骨架的石墨生制品进行电解处理,去除金属骨架,得到含有三维网状通孔的石墨生制品;三维网状通孔的直径为0.1‑2mm;三维网状通孔的分布构型由金属骨架控制,金属骨架构型包括三维垂直交叉型、三维螺旋型、三维环形阵列;将石墨生制品与阴极工具放入电解液中,石墨生制品与阴极工具之间存在间隙,该间隙充满电解液;将石墨生制品连接电源正极,阴极工具连接电源负极,接通电源后石墨生制品中的金属被电解腐蚀;完全去除金属后结束电解;在电解反应系统中,石墨仅作为导体,不发生电化学反应;石墨中的金属作为阳极,被电解腐蚀生成金属离子进入电解液中,在石墨体中留下通孔,电解液填充该通孔,促使剩余金属继续被电解去除;当金属被完全去除时,发生水的电解反应。 [0055] 步骤S4:对去除金属骨架的石墨生制品进行焙烧处理和石墨化处理,得到含有三维网状通孔与微观气孔结合的石墨制品;电解后石墨生制品中的金属骨架被腐蚀去除,留下三维宏观通道;焙烧后石墨制品存在微观气孔;三维宏观通道与微观气孔相连接,形成三维多孔石墨制品。 [0056] 本发明还提供一种三维网状通孔石墨的制备系统,所述三维网状通孔石墨的制备系统可以通过执行所述三维网状通孔石墨的制备方法的流程步骤予以实现,即本领域技术人员可以将所述三维网状通孔石墨的制备方法理解为所述三维网状通孔石墨的制备系统的优选实施方式。 [0057] 实施例2: [0058] 本发明还提供一种三维网状通孔石墨的制备系统,所述系统包括如下模块: [0059] 模块M1:使用增材制造工艺制备三维网状金属骨架; [0060] 模块M2:将碳素骨料和黏结剂混捏,将混合物填充网状金属骨架中,进行压制成型,得到石墨生制品;黏结剂为沥青或树脂;压制成型系统为模压法或等静压成型法。 [0061] 模块M3:对含三维网状金属骨架的石墨生制品进行电解处理,去除金属骨架,得到含有三维网状通孔的石墨生制品;三维网状通孔的直径为0.1‑2mm;三维网状通孔的分布构型由金属骨架控制,金属骨架构型包括三维垂直交叉型、三维螺旋型、三维环形阵列;将石墨生制品与阴极工具放入电解液中,石墨生制品与阴极工具之间存在间隙,该间隙充满电解液;将石墨生制品连接电源正极,阴极工具连接电源负极,接通电源后石墨生制品中的金属被电解腐蚀;完全去除金属后结束电解;在电解反应系统中,石墨仅作为导体,不发生电化学反应;石墨中的金属作为阳极,被电解腐蚀生成金属离子进入电解液中,在石墨体中留下通孔,电解液填充该通孔,促使剩余金属继续被电解去除;当金属被完全去除时,发生水的电解反应。 [0062] 模块M4:对去除金属骨架的石墨生制品进行焙烧处理和石墨化处理,得到含有三维网状通孔与微观气孔结合的石墨制品;电解后石墨生制品中的金属骨架被腐蚀去除,留下三维宏观通道;焙烧后石墨制品存在微观气孔;三维宏观通道与微观气孔相连接,形成三维多孔石墨制品。 [0063] 实施例3: [0064] 本发明提供了一种三维网状通孔石墨的制备方法,包括:使用增材制造工艺制备出网状金属骨架;将石墨碳素骨料和黏结剂混捏,填充网状金属骨架中,进行压制成型,随后进行焙烧处理;对含网状金属骨架的石墨制品进行电解处理,去除网状金属骨架,得到含有网状通孔的石墨体。本发明可以制备出具有网状通孔分布的石墨体,通孔的分布状态由网状骨架金属控制。 [0065] 根据本发明提供的一种三维网状通孔石墨的制备方法,包括: [0066] 参照图1、图2、图3、图4,使用增材制造工艺制备出三维网状金属骨架;将碳素骨料和黏结剂混捏,将混合物填充网状金属骨架中,进行压制成型,得到石墨生制品;对含三维网状金属骨架的石墨生制品进行电解处理,去除金属骨架,得到含有三维网状通孔的石墨生制品,参照图5。对去除金属骨架的石墨生制品进行焙烧处理和石墨化处理,得到含有三维网状宏观通孔与微观气孔结合的石墨制品。 [0067] 黏结剂为沥青或树脂;压制成型方法为模压法或等静压成型法;石墨通孔直径为0.1‑2mm;石墨压制成型温度低于金属熔点;石墨三维网状通孔的分布构型由金属骨架控制,优选地,金属骨架构型包括三维垂直交叉型、三维螺旋型、三维环形阵列;将石墨生制品与阴极工具放入电解液中,石墨生制品与阴极工具之间存在一定间隙,该间隙充满电解液; 将石墨生制品连接电源正极,阴极工具连接电源负极,接通电源后石墨生制品中的金属被电解腐蚀;完全去除金属后结束电解。 [0068] 参照图6,在电解反应系统中,石墨仅作为导体,不发生电化学反应;石墨中的金属作为阳极,被电解腐蚀生成金属离子进入电解液中,在石墨体中留下通孔,电解液填充该通孔,促使剩余金属继续被电解去除,当金属被完全去除时,发生水的电解反应;电解后石墨生制品中的金属骨架被腐蚀去除,留下宏观的三维通道;焙烧后石墨制品存在大量微小气孔;三维宏观通道与微孔相连接,形成三维多孔石墨制品。 [0069] 根据本发明提供的一种三维网状通孔石墨的制备方法,包括: [0070] 使用增材制造工艺制备出三维网状金属骨架,选用金属为不锈钢316L,金属骨架由丝状金属构成,金属丝直径为0.5mm,金属骨架为三维垂直交叉构型,如图1和图2所示,平行的金属丝间距为5mm。 [0072] 对含三维网状金属骨架的石墨生制品进行电解处理,将石墨生制品1与阴极工具2放入电解液5中,电解液为质量分数为10%的氯化钠溶液,电解液5处于电解液容器4中,石墨生制品1与阴极工2具之间存在一定间隙,该间隙充满电解液5;将石墨生制品1连接电源3正极,阴极工具2连接电源3负极,电源电压为15‑30V,接通电源3后石墨生制品中的金属被电解腐蚀;完全去除金属后结束电解,得到含有三维网状通孔的石墨生制品。 [0073] 对去除金属骨架的石墨生制品进行焙烧处理和石墨化处理,焙烧温度不高于1200℃,石墨化温度为2400℃,焙烧后黏结剂沥青逐渐焦化,形成微小气孔。经石墨化处理后,得到三维网状宏观通孔与微观气孔结合的多孔石墨制品。 [0074] 本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。 |