[發明專利]一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010522120.3
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111644599B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 黃東;詹春毅;鄒偉全;馮勝山;吳維鋒;卞青青;陳建麗;賴澳澳;梁玉;周盾白;陳文江;韋澤彬;李大保;曾錦成;陳澤輝;譚水新;區曉明;李景輝
• 申請（專利權）人: 廣東科學技術職業學院
• 主分類號: B22D23/04
• 分類號: B22D23/04;B22C3/00
• 代理公司: 廣州市紅荔專利代理有限公司 44214
• 代理人: 王賢義;何承鑫

1.一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料的制備方法，其特征在于，該復合材料是由在三維空間均聯通的網絡結構石墨和鑄鋼構成，其中，石墨的體積占比為10%～50%；網絡結構石墨是采用聚氨酯泡沫先驅體浸漬于水基石墨漿料，再擠出多余的漿料，然后經干燥和加熱固化而成，該方法包括以下步驟：

（1）采用聚氨酯泡沫先驅體掛漿成型工藝和化學粘結加熱固化法制備三維網絡石墨預制體；

（2）對三維網絡石墨預制體的表面進行金屬化處理，以改善石墨與鋼之間的潤濕性；

（3）采用常壓鑄滲方法，往孔隙連通的三維網絡石墨預制體中澆注鋼水，待冷卻凝固成型，制得三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料；所述鑄鋼是指ZG200-400及以上牌號的鑄造碳鋼；

所述步驟（1）的具體步驟如下：

a.按形狀和尺寸要求對5～25ppi的具有三維網絡骨架結構的軟質聚氨酯泡沫材料進行切塊，并對得到的聚氨酯泡沫材料塊進行表面改性處理，得到聚氨酯泡沫先驅體，其中ppi即每英寸長度的孔數；

b.配制水基石墨漿料；

c.將步驟a得到的聚氨酯泡沫先驅體充分浸漬在步驟b配制得到的水基石墨漿料中，并擠出聚氨酯泡沫先驅體中多余的漿料，撤掉擠壓力后，聚氨酯泡沫先驅體憑借自身的彈性恢復成原來的形狀，此時，在聚氨酯泡沫先驅體的骨架上均勻包裹一層石墨漿料層；

d.對包裹有石墨漿料的聚氨酯泡沫先驅體進行常溫自然干燥處理，再在350℃～450℃溫度下加熱使其發生化學粘結固化，即獲得具有需求強度的三維網絡結構石墨預制體；

所述步驟（2）中對三維網絡石墨預制體的表面進行金屬化處理的具體步驟為：使用無水乙醇對三維網絡石墨預制體進行清洗并烘干保存備用，再用含有聚乙烯醇縮丁醛和酚醛樹脂的乙醇溶液將合金粉末配制成金屬漿料，將該漿料浸涂在清洗后的三維網絡石墨預制體表面，然后放入100℃的恒溫恒濕干燥箱中烘干并保存備用，其中，合金粉末為Cu-Cr-Ti的混合物，Ti和Cr的加入量分別為6～16%，余量為Cu,聚乙烯醇縮丁醛和酚醛樹脂的加入量分別為合金粉末混合物的1～3%，金屬漿料的粘度用乙醇調整為（3～7）×10-3 Pa.s。

2.根據權利要求1所述的一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟a中，對聚氨酯泡沫材料塊進行表面改性處理的具體步驟為：采用高分子絮凝劑水溶液進行浸漬處理，然后自然干燥備用，所述高分子絮凝劑是濃度為15～20%的聚乙烯亞胺水溶液，或者是濃度為15～25%的聚丙烯酰胺水溶液。

3.根據權利要求1所述的一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟b中配制水基石墨漿料的具體步驟為：按質量百分占比分別稱取石墨粉、粘結劑、流變劑、消泡劑和潤濕劑備用；先將流變劑用3～10倍自來水潤濕并攪拌活化，存放24小時后備用；再在制得的流變劑漿料中加入石墨粉，同時加適量自來水攪拌；然后逐次加入粘結劑、潤濕劑和消泡劑及適量自來水，充分攪拌30～60min；最后用膠體磨加工3 min以上；加工好的漿料再靜置陳化24h以上備用。

4.根據權利要求3所述的一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料的制備方法，其特征在于，按質量分數計算，所述水基石墨漿料包括以下組分：石墨粉100%，粘結劑5～14%，流變劑1.7～3.8%，消泡劑0.01～0.05%，潤濕劑0.2～0.5%和自來水，其中，自來水的加入量根據石墨漿料的粘度需求進行添加；所述粘結劑為硅溶膠和水溶性酚醛樹脂；所述流變劑包括鈉基累托石粉和羧甲基纖維素鈉，按質量分數計算，鈉基累托石粉1.5～3%，羧甲基纖維素鈉 0.2～0.8%，硅溶膠3～8%，水溶性酚醛樹脂2～6%；所述消泡劑為正丁醇，所述潤濕劑為脂肪醇聚氯乙烯醚。

5.根據權利要求1所述的一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟d中，對包裹有水基石墨漿料的聚氨酯泡沫先驅體進行常溫自然干燥處理，并在適當溫度下加熱使其發生化學粘結固化的具體步驟為：聚氨酯泡沫先驅體浸漿成型后，自然干燥1天以上，然后放入加熱爐加熱到350℃～450℃，保溫2h～3h，3h后出爐自然冷卻到常溫，即可得到三維網絡結構石墨預制體。

6.根據權利要求1所述的一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（3）的具體步驟為：將三維網絡石墨預制體固定在制備好的樹脂砂型腔中，在大氣壓力條件下，利用鋼水在自然重力作用下的靜壓力和動壓力，將鋼水澆入三維網絡石墨預制體中，并冷卻凝固成型，即制得三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料；在制備樹脂砂型時，在所述樹脂砂型腔的內表面涂覆一層醇基鋯英粉涂料或剛玉粉涂料，并立即點火燃燒，使涂層干燥，防止復合材料表面產生鑄造缺陷。