[发明专利]一种新型提高炭素材料抗氧化性能的处理方法

说明书

技术领域

本发明属于炭素材料技术领域，具体涉及一种新型提高炭素材料抗氧化性能的处理方法。

背景技术

炭素材料是以碳元素为主的无机非金属材料，通常是由石墨微晶构成，碳原子之间呈六角形平面网格的层状晶体。由于炭素材料具有比某些金属还要高的热传导性，远比金属还低的热膨胀系数，很高的化学稳定性，在工程上具有重要的价值。常温下，炭素材料与各种气体不发生任何反应。当温度升高到350℃，无定形碳即有明显的氧化反应，而继续升高到400℃石墨也开始发生氧化反应，随着温度的升高，石墨氧化速度加快。石墨化程度愈高，石墨的晶体结构愈完善，其反应活化能大，抗氧化性能好。炭素材料高温氧化由氧化性气体的内扩散和化学反应控制，氧化速率与氧化性气体流量成线性增加关系。化学反应与石墨材料的完整程度有关，石墨化程度越高，氧化反应速度越慢，而内扩散由炭素材料的微孔分布决定。在材料确定的情况下，其氧化反应速率由内扩散控制。

炭素制品在制造过程中，有机炭质原料的热解缩聚，使炭素材料形成多孔性，一般气孔率在20％～30％左右，其中大部分是开口气孔，导致氧化性气体的扩散速度和扩散深度增大，抗氧化性能差，一般在400℃左右就开始氧化。防止炭素材料氧化的最主要的措施之一就是减少炭素材料与氧的接触面积，实质上是用抗氧化的物质附在炭素材料的孔隙或活性中心上，使其表面不直接暴露于空气中。

目前，炭素材料的抗氧化方法大致可分为三种，即表面涂层、气相沉积和浸渍。表面涂层由于与炭素材料热应力差异等原因，使用过程容易脱落，应用受到限制。气相沉积过程由于成本过高以及仅适用于小尺寸制品，目前该技术主要应用于航空航天材料领域。通过浸渍过程提高炭素材料抗氧化性能具有操作简单的优点，但现有的浸渍工艺存在浸渍效率较低、浸渍时间长、抗氧化性能不是非常理想和能耗较高等问题。

将炭素材料进行表面处理，目的在于增加炭素材料的表面官能团，从而增强炭素材料与浸渍剂间的结合力，提高浸渍效率。炭素材料表面化学性质在定向吸附和表面反应中起重要作用。炭素材料的表面化学性质取决于杂环原子的存在，如氢、氧、氮、磷、氯等，这可能来自于碳的前驱体，也可能是活性官能团。炭素材料表面的杂环原子会改变其酸碱性、催化性质和电化学性质，比如含氧表面官能团具有亲水性和阳离子交换功能，含氮的碳显示出阴离子交换功能和氧化反应中的催化活性，含磷碳显示出一系列定向特性，从酸性表面官能团和阳离子交换功能，到提高氧化稳定性。磷酸盐被广泛用于提高炭素材料抗氧化性，研究表明由磷酸活化的炭不仅有大量的孔洞，还由于酸性表面官能团的存在而具备阳离子交换功能。

沸腾浸渍为通过将炭素材料放入沸腾的溶液中，进行浸渍。对于非平壁或多孔材料中的微孔，壁面上的气泡核心是那些预先储存有气体或蒸汽的凹坑。由于这些气(汽)泡的存在，实际的沸腾过程就是从这些汽泡核心开始的。这些汽泡核心的尺度要比由于液体分子密度起伏所形成的汽泡核心大得多，所以在这些储气凹坑上液体开始沸腾所需的过热度，要比在过热液体中形成临界汽泡核心所需要的过热度大大减少，也比在不含气体的固体壁面上形成汽泡核心的过热度要小得多。炭素材料表面为多孔结构，受工艺控制，其内部残留许多直通气孔。由多孔材料沸腾原理可知，通过将炭素材料放置于浸渍液体中加热，孔里面有很多惰性气体或空气等，形成汽泡核心从而沸腾，此时过热度还未使壁面达到浸渍液沸点。由于沸腾只在炭素材料表面发生，只需要提供炭素材料沸腾所需要的能量，能耗低，传质效率高。在溶剂不断汽化的过程中，炭素材料孔隙中的惰性气体被带出孔外，而被浸渍液给占据。因此沸腾浸渍可以大大提高浸渍的效率，提高增重率，降低能耗，提高抗氧化性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种新型提高炭素材料抗氧化性能的处理方法，通过对炭素材料进行表面处理，极大地提高了浸渍效率；配置出复合成分浸渍剂，使保护层结构更加稳定。

本发明的技术方案如下：

一种新型提高炭素材料抗氧化性能的处理方法，其具体步骤为，将炭素材料进行表面处理，然后在浸渍液中沸腾浸渍炭素材料，最后将炭素材料取出进行热处理(在有惰性气体或者还原性气体的环境中，热处理温度也较高，需达到保护层的熔点以上)。

所述的炭素材料表面处理为将炭素材料置于气体或者液体中，进行加热处理来增加炭素材料表面官能团。本发明适用于所有炭素材料，普通炭素材料热处理温度低些，石墨材料热处理温度高些。