浸銅用炭石墨材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備研究

 炭石墨材料因其具有自潤滑性、耐高溫、耐腐蝕、可以在不需要潤滑劑的工

況下保持良好的抗摩擦磨損性能，廣泛地用作密封和耐磨材料，應(yīng)用在航空航天

領(lǐng)域。雖然炭材料具有許多金屬及其他材料所無法取代的性能，但是一般的純炭

石墨材料不能滿足于某些高性能密封領(lǐng)域的使用要求。浸銅炭石墨材料提高了炭

石墨材料的導(dǎo)熱率和機(jī)械強(qiáng)度，降低了炭石墨材料的孔隙率，改善了炭石墨材料

的韌性和易加工性，因此是一種應(yīng)用于機(jī)械密封領(lǐng)域的特殊工程材料。浸漬金屬

炭石墨材料的性能主要取決于基體炭石墨材料的性能，作為浸漬金屬的基體炭石

墨材料，除了要滿足一定的機(jī)械強(qiáng)度之外，對基體炭石墨材料的孔隙結(jié)構(gòu)也有很

高的要求。

     本論文通過冷壓炭化工藝，以瀝青焦為主要骨料、炭黑為輔助骨料，以適量

石墨為潤滑組元，以硫改性煤瀝青為粘結(jié)劑，制備了多種基體炭石墨材料。較為

系統(tǒng)地研究了原料（骨料）種類和配比對基體炭石墨材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，

以及浸銅對基體炭石墨材料性能的提高和改善。主要實驗內(nèi)容和結(jié)論如下：

１瀝青焦和粘結(jié)劑對基體炭石墨材料結(jié)構(gòu)和性能的影響
     以煤焦油瀝青為原料，通過硫改性制得硫改性瀝青粘結(jié)劑，以瀝青焦為骨料，

制備炭基體材料?？疾炝艘詾r青焦為單組分骨料所制得炭基體材料的基本物理和

機(jī)械性能。研究結(jié)果表明，瀝青焦與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為６４：３６時，所制得的炭基

體材料抗彎強(qiáng)度達(dá)到６３．６ＭＰａ、抗壓強(qiáng)度達(dá)至１Ｊ２６４．１ＭＰａ、密度達(dá)到１．６５９／ｅｍ３，開

孔率為１４．４％，孔徑分布較集中，孔徑值分布在２．０”－’０．９９ｍ，是較為理想的組成

配比。

２炭黑和粘結(jié)劑對基體炭石墨材料結(jié)構(gòu)和性能的影響
      以煤焦油瀝青為原料，通過硫改性制得硫改性瀝青粘結(jié)劑，以炭黑為骨料，

制備炭基體材料?？疾炝艘蕴亢跒閱谓M分骨料所制得炭基體材料的基本物理性

能。研究結(jié)果表明，炭黑與粘結(jié)劑的質(zhì)量比在４３：５７時，所制得的炭基體材料抗

彎強(qiáng)度達(dá)至ｌＪ６０．５ＭＰａ、抗壓強(qiáng)度達(dá)至Ｕ２２２．６ＭＰａ、密度達(dá)到１．５０９／ｃｍ３，開孔率為

                                                ＩＶ
                                                摘要

 

１２．１％，孔徑分布較集中，孔徑值分布在０．７～Ｏ．２１ｘｍ，是較為理想的組成配比。

３以瀝青焦和炭黑為骨料，考察其配比組成對基體炭石墨材料結(jié)構(gòu)和性能的影響

      以瀝青焦為主要骨料，以炭黑為輔助骨料，以煤焦油瀝青為原料，通過硫改

性制得硫改性瀝青為粘結(jié)劑，以人造石墨粉為潤滑組元，制備了基體炭石墨材料。

保持石墨的質(zhì)量百分比不變，通過改變?yōu)r青焦和炭黑的含量，考察瀝青焦和炭黑

的含量關(guān)系對材料性能的影響，其中粘結(jié)劑的含量是隨瀝青焦和炭黑含量的不同

而成比例的改變。研究結(jié)果表明炭黑的加入可以改變材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，增加

材料的強(qiáng)度，可以調(diào)節(jié)孔徑的分布，其中炭黑含量在２４ｗｔ％、瀝青焦含量在６６ｗｔ％

時，材料具有較合理的孔徑分布，孔徑分布在０．７～Ｏ．１ｌ，ｔｍ，所制備的材料是較好

的適于浸銅用的基體炭石墨材料。

４粘結(jié)劑含量對基體炭石墨材料結(jié)構(gòu)和性能的影響

      以瀝青焦為主要骨料，以炭黑為輔助骨料，以煤焦油瀝青為原料，通過硫改

性制得硫改性瀝青為粘結(jié)劑，以人造石墨粉為潤滑組元，制備了基體炭石墨材料。

其中骨料和潤滑組元作為一個部分，通過加入不同的粘結(jié)劑，考察粘結(jié)劑含量對

材料性能的影響。研究結(jié)果表明，粘結(jié)劑的含量對材料的性能起著非常重要的作

用，對材料性能的影響較大。密度的變化從粘結(jié)劑含量為２８％時的１．４１９／ｃｍ３增

大到粘結(jié)劑含量為４４％時的１．５８ ｇ／ｃｍ３；開孔率的變化從粘結(jié)劑含量為２８％時的

２６．１％降低到粘結(jié)劑含量為４４％的１８．８％；抗壓強(qiáng)度的變化從粘結(jié)劑含量為２８％

時的４５ＭＰａ增大到粘結(jié)劑含量為４４％的１８７ＭＰａ；抗彎強(qiáng)度的變化從粘結(jié)劑含量

為２８％時的ＩＯＭＰａ增大到粘結(jié)劑含量為４４％的４２ＭＰａ；孔徑隨粘結(jié)劑含量的增

大而變小。研究發(fā)現(xiàn)，對于一定組成的骨料和潤滑組元，粘結(jié)劑含量在４０％時，

所制備的基體炭石墨材料具有較好的孔徑分布和物理性能，孔徑分布在０．５”－－”

０．１９ｍ，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為３７．５６ＭＰａ和１６２．９１ＭＰａ，密度為１．５６９／ｃｍ３，
是適于浸銅用的較好的基體炭石墨材料。

５浸銅炭石墨材料的制備和性能研究

     以基體炭石墨材料為原料，通過高溫高壓浸漬銅，制得浸銅炭石墨材料?？?/p>

察了浸銅對基體炭石墨材料的密度、強(qiáng)度、導(dǎo)熱率等性能的影響。研究結(jié)果表明，

浸銅可以提高基體炭石墨材料的密度，增加強(qiáng)度，增大導(dǎo)熱率。并對銅在炭石墨

材料內(nèi)部的分布進(jìn)行了討論。