[发明专利]一种低维碳材料增强炭石墨材料及其制备方法

说明书

一种低维碳材料增强炭石墨材料，包括均匀分散的以下组分：骨料：沥青焦和炭黑；低维碳材料；粘结剂：改质沥青和/或高温沥青；分散改性剂：四氢呋喃、甲苯或喹啉中至少一种。低维碳材料增强炭石墨材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将分散改性剂与粘结剂、分散改性剂与低维碳材料混合搅拌，得到两份悬浊液；(2)将两份悬浊液共混，加入骨料后低温混合，烘干、破碎、筛分、成型焙烧，得到低维碳材料增强炭石墨材料。本发明采用的低维碳材料增强炭石墨材料可实现低维碳材料在增强炭石墨材料中的均匀分散，抑制在焙烧过程中的缺陷萌生，并在材料服役过程中在低维碳材料所处微区抑制裂纹扩展，实现特种炭石墨材料宏观力学性能的提升。

技术领域

本发明属于石墨材料技术领域，尤其涉及一种低维碳材料增强炭石墨材料及其制备方法。

背景技术

特种炭石墨材料因具有高强、高密、高纯度等特点被广泛应用在航空航天、交通、能源和化工等领域。然而特种炭石墨材料坯体在制备焙烧过程中粘结剂会发生热解、缩聚等一系列的热血反应，导致轻组分的大量逸出从而在特种炭石墨材料坯体中形成不可避免的随机微裂纹和孔隙缺陷。这些缺陷的存在会使特种炭石墨材料在特殊服役工况下易发生材料的异常失效，最终导致安全事故的发生。因此如何调控特种炭石墨材料的微观结构，改善宏观性能，实现结构功能一体化成为研究特种炭石墨材料的一个重要技术难点。

从制备原料的选择上来分析，骨料颗粒粒度的减小可显著提高材料的强度，高软化点的沥青粘结剂可赋予特种炭石墨材料更高的强度，因此采用细颗粒炭质骨料和高温沥青粘结剂来制备特种炭石墨材料是较为合理的研究方法。与此同时，低维碳纳米材料因具有完美的晶体结构和优良的导电、导热和力学性能被作为增强相广泛应用在复合材料领域，目前已有相关研究表明低维碳纳米材料可抑制复合材料内部微裂纹及孔隙缺陷的萌生及扩展，提高材料结构完整性。基于以上分析，采用细颗粒炭质骨料、高温沥青粘结剂和低维碳纳米材料增强相制备特种炭石墨材料，可望实现其结构功能一体化。

然而骨料颗粒粒度小、比表面积大一方面会导致颗粒间易团聚和混捏过程中骨料/粘结剂混合不均匀的问题；另一方面会使制备材料需要更多的高温沥青粘结剂用量，导致在焙烧过程中挥发逸出更多的轻组分引发更多的缺陷萌生。同时，使用高温沥青粘结剂来制备特种炭石墨材料一方面因其较差的流动性导致在混捏过程中沥青/细颗粒骨料混合不均匀及界面润湿性差的问题；另一方面使用软化点较高的高温沥青并通过传统混捏工艺制备特种炭石墨材料对混捏设备的升温系统提出较高的要求。而采用传统的熔融混捏制备工艺制备特种炭石墨材料，低维碳纳米材料极易团聚，难以均匀分散在材料基体中，因此会导致应力集中影响特种炭石墨材料的宏观性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种低维碳材料增强炭石墨材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种低维碳材料增强炭石墨材料，包括均匀分散的以下组分：

骨料：沥青焦和炭黑；

低维碳材料；

粘结剂：改质沥青和/或高温沥青；

分散改性剂：四氢呋喃、甲苯或喹啉中至少一种。

本申请通过添加分散改性剂来降低沥青的软化点，获得在常温下流动性良好的沥青粘结剂及骨料/沥青混合体系；同时分散改性剂作为低维碳材料的分散介质，与骨料/沥青混合体系共混制备获得具有均匀分散低维碳材料增强特种炭石墨材料，低维碳材料均匀分散。

采用四氢呋喃、甲苯或喹啉等有机溶剂作为分散改性剂，一方面，加入到沥青中可有效改善沥青的软化点，使得沥青在常温下具有良好的流动性并且可对骨料进行良好的包覆并能渗入骨料颗粒的孔隙中，最终有效改善特种炭石墨材料的均质性。同时，采用四氢呋喃、甲苯或喹啉等有机溶剂作为低维碳材料的分散介质，与骨料/沥青混合体系共混，提升了上述材料的分散性，最终可制得均匀分散的低维碳材料微区增韧特种炭石墨材料。