[發明專利]具有高孔隙率和低滲透率的石墨體及其生產方法

無效

• 申請號: 201080055880.2
• 申請日: 2010-12-08
• 公開（公告）號: CN102639462A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 陳茺;P.D.科爾曼;C.伊爾薩克;G.E.默里;J.J.帕夫利辛;P.S.西羅基
• 申請（專利權）人: 格拉弗技術國際控股有限公司
• 主分類號: C04B35/532
• 分類號: C04B35/532;C04B35/536
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐晶;林森

技術領域

概括地講，本發明涉及具有超低滲透率的石墨體，諸如石墨板及其他制品，和形成所述石墨體的方法。在一個實施方案中，本發明涉及具有至少約10%的孔隙率、同時表現出超低滲透率(即通過ASTM?C577測量小于約1.0毫達西的滲透率)的石墨體。

發明背景

石墨體具有用于多種應用的潛力，包括在核反應堆、電化學燃料電池、硅和多晶硅生產及其中需要類似于石墨的非反應性材料的其他應用中使用。然而，在常規石墨中缺少的一項特征為兼具高孔隙率和超低滲透率，這樣的話允許材料浸漬到石墨中但又防止其經石墨制品滲漏。正是該不尋常的特性組合容許本發明的石墨用于諸如核反應堆、電化學燃料電池、硅和多晶硅生產等應用中。

石墨制品可通過將煅燒的石油焦炭和煤焦油瀝清連結料組合成原料共混物來制造。在該多步方法中，首先將煅燒的石油焦炭粉碎，調整大小且研磨成精細限定的粉末。一般來說，在共混物中采用平均直徑至高約25毫米(mm)的粒子。粒子部分優選包含具有小粒度的焦炭粉填料。可加入小粒度填料中的其他添加劑包括抑制噴出(由硫自其與在焦炭粒子內部的碳的結合中釋放所引起)的鐵的氧化物、焦炭粉和促進共混物擠出的油或其他潤滑劑。

將原料共混物加熱到瀝青的軟化溫度且擠壓成形以產生諸如板的“生”原料坯(stock?body)。對于生坯生產，可使用連續操作擠壓機來形成稱為“生”坯的板。對于石墨制品生產，生坯通過模具擠出或通過在成形模具中成型以形成“生坯”。

將生原料坯在爐子中加熱以使瀝青碳化，從而給予坯體永久成形性和較高機械強度。取決于石墨體的大小且依據具體制造商的工藝，該“烘烤”步驟需要生坯在約700℃－約1100℃的溫度下熱處理。為了避免氧化，將生原料坯在相對缺乏空氣的情況下烘烤。坯體的溫度以恒定速率升高到最終烘烤溫度。在一些實施方案中，取決于坯體的大小，將生原料坯保持在最終烘烤溫度下1周至2周。

在冷卻并清潔之后，可將烘烤好的坯體用煤焦油或石油瀝青或工業中已知的其他類型的瀝青浸漬一次或多次，以使額外的瀝青焦炭沉積在坯體的任何開孔中。在每次浸漬之后是包括冷卻和清潔的額外烘烤步驟。各個再烘烤步驟的時間和溫度可視特定制造商的工藝而不同。可將添加劑加入瀝青中以改善石墨體的具體性質。各個這樣的致密化步驟(即，各個額外的浸漬和再烘烤循環)通常增加原料的密度且提供較高機械強度。通常，使各個坯體成形包括至少一個致密化步驟。許多這樣的制品在達到所要密度之前需要數個單獨的致密化步驟。

在致密化之后，隨后使在該階段中稱為碳化坯(carbonized?body)的坯體石墨化。石墨化包括在至少約2600℃且通常(但并非一定)至高約3400℃的最終溫度下熱處理歷時足以使在煅燒的焦炭和瀝青焦炭連結料中的碳原子從石墨的差晶序狀態轉變為結晶結構的時間。在這些高溫下，非碳元素揮發且作為蒸氣逸散。

在石墨化完成之后，可將坯體切割成一定尺寸且隨后機械加工或以其他方式形成其最終構造。考慮到其性質，石墨容許機械加工到高公差等級，因此容許在石墨板等之間的堅固連接。

冗長的致密化循環大大增加了石墨體制造的開支和時間。例如，取決于致密化步驟的數目，可能耗費約6個月來形成某些石墨制品。再次取決于致密化步驟的數目，其他石墨制品可能耗費約35天來制造。更加扼要地講，通過該常規加工生產的石墨制品沒有某些應用所尋求的高孔隙率、低滲透率特性。

發明簡述

本發明提供形成諸如石墨板或坯錠的碳體的新型且改善的方法，該方法提供具有高孔隙率與低滲透率的獨特組合的石墨制品。

本發明的各方面包括形成諸如石墨板或坯錠的碳體的方法，用該方法制備的石墨制品具有高孔隙率與超低滲透率兩者。所述方法包括組合a)?可為焦炭粒子、石墨粒子或其組合的碳料與b)?諸如瀝青的連結材料以形成原料混合物和加熱所述原料混合物到足以使所述組合物的至少一部分碳化的溫度以形成預成型坯體。所述方法包括通過對所述原料混合物施加電流來電阻加熱，從而在所述混合物內產生熱。在加熱所述混合物的同時，將至少約35kg/cm²的壓力施加到所述原料混合物以形成至少部分碳化的原料混合物。隨后使所述至少部分碳化的原料混合物石墨化。

根據本發明的一方面，所述方法提供使原料混合物碳化所需要的加工時間的顯著減少。對于20-25千克(kg)的碳體，例示性的預成型加工時間包括約10分鐘至至多約120分鐘的任何加工時間。在具體事例中，該加工時間可為至多約50分鐘、至多約60分鐘、至多約70分鐘且甚至至多約90分鐘。