Способ регулирования физических характеристик углеродных материалов

 

Изобретение относится к области металлургии в частности к регулированию процессов получения углеродных материалов. Способ включает варьирование типа и крупности частиц наполнителя и осуществляется следующим образцом: предварительно изготавливают образцы материала из одного или нескольких ориентировочно выбранных типов наполнителей с различной фиксированной крупностью частиц, измеряют на них КТР и по измеренным значениям подбирают тип и крупность частиц крупного компонента наполнителя, обеспечивающее необходимый уровень коэффициента термических расширений (КТР); затем на основе выбранного крупного компонента готовят ряд составов шихты, добавляя к крупному компоненту различные фиксированные доли мелких компонентов, размер которых существенно меньше размера частиц крупного компонента, изготавливают из полученных составов образцы материала, измеряют на них КТР и физико-механические характеристики и выбирают по ним то соотношение компонентов шихты - крупного и мелких, которое обеспечивает сохранение необходимого уровня КТР при максимальных, (необходимых ) физико-механических характеристик Размер частиц мелких-компонентов должен быть не менее, чем в три раза, меньше размера частиц крупного компонента, а массовая допя мелких компонентов в шихте не должна превышать 40%. Способ позволяет оптимизировать соотношение КТР и физико-механических характеристик материала 1 злф-пы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРКТЕ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (2f 3 5002725/26 (22) 01.0891 (46) 15.1193 Бюл. Йа 43-42 (75) Самойлов ВМ„Левинтович ИЯ. Остронов БГ„.

Котосонов АС. (73) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к области металлургии, в частности к регулированию процессов получения углеродных материалов. Способ включает варьирование типа и крупности частиц наполнителя и осуществляется следующим образцом: предварительно изготавливают образцы материала из одного ипи нескольких ориентировочно выбранных типов наполнителей с различной фиксированной крупностью частиц, измеряют на них КТР и по измеренным значениям подбирают тип и крупность частиц круп<в> Е (u) 2003 83 1 (%1) и Й.И ИЛЙС О1 В ДЦО1 ного компонента напопнителя, обеспечивающее необходимый уровень коэффициента термических расширений (КТР); затем на основе выбранного крупного компонента готовят ряд составов шихты, добавляя к крупному компоненту различные фиксированные доли мелких компонентов, размер которых существенно меньше размера частиц крупного компонента, изготавливают из полученных составов образцы материала, измеряют на них KTP и физико-механические характеристики и выбирают по ним то соотношение компонентов шихты — крупного и мелких, которое обеспечивает сохранение необходимого уровня КТР при максимальных.(необходимь1х) физико-механических характеристик Размер частиц мелких"компонентов должен быть не менее, чем в три раза, меньше размера частиц крупного компонента, а массовая допя мелких компонентов в шйхте не должна превышать 40%. Способ позволяет оптимизировать соотношение l(TP и физико-механических характеристик материала. 1 зл.ф-вы

2003083

Изобретение относится к области металлургии, в частности к регулированию процессов получения углеродных материалов, и может быть использована в производстве электродов и конструкционных углеродных материалов.

Разработка новых L1 модерниэация суцествующих технологий искусственных углеродных материалов представляет собой сложный мнагос;-адийный процссс, включающий выбор типа наполнителя и связующего, измельчение наполнителя, подбор его рануламетрического состава и способа смещения са связующим, а также выбор ре;.,:,or паессования, обжига, графитации и .„.,. 1ри - том стремятся достичь заданного

",ровня UQAcTB полученных материалов, арьируя технологические параметры на различных стадиях процесса.

"; числу важнейших свойств канструкцианных углеродных материалов относятся физико-механические характеристики (модуль Юнга, прочностные характеристики) и коэффициент термического расширения (КТР). Ва многих случаях, по условиям эксплуатации, требуются материалы с повышенными физико-механическими х"-.рактеристиками при заданном (как правила достаточно низком) уровне КТР, например углеродные материалы, пред- 30 на3l!а !еиные для накрытия, защитными слоями кремния, карбидов, боридов, нитридов и других соединений, имеющих определенную величину КТР. Другим примером являются графиты с повышенной термо- 35 прочностью, которые должны иметь максимальные прочностные характеристики при минимальном КТР.

Известен способ, принятый за прототип, позволяющий регулировать физиче- 40 ские характеристики, в частности предел прочности, графита путем изменения средней крупности частиц наполнителя, При. уменьшении крупности частиц наполнителя увеличивается прочность графита. Недо- 4 статком известного способа является невозможность оптимизации соотнашенип между КГР и физико-механическими характеристиками получаемого материала, например достигать повышенных физико- 50 механических характеристик при сохранении КТР на заданном относительно низком уровне, Это связано с тем, что КТР и прочностные характеристики одинаковым образом зависят от крупности частиц б наполнителя: предел прочности и КТР увеличиваются при уменьшении крупности частиц.

Задача изобретения — обеспечение возгложнасти оптимизации соотношения КТР и физико-механических характеристик углеродных материалов на основе дисперсных наполнителей, т.е, возможность повышения физико-механических характеристик материала при заданном уровне КТР.

Поставленная задача достигается тем, что в способе регулирования физических характеристик углеродных материалов, включающем варьиравание типа и крупности частиц наполнителя, предварительно, для одного или нескольких ориентировочно выбранных типов наполнителя изготавливают образцы материала с различной фиксированной крупностью частиц, измеряют на них KTP u rio измеренным значениям подбирают тип и размер частиц крупного компонента, обеспечивающие необходимый уровень КТР, затем на основе выбранного крупного компонента готовят ряд составов шихты, добавлял к крупному компоненту различные фиксированные доли мелких компонентов, размер частиц которых существенно меньше размера частиц крупного компонента, изготавливают на их основеобразцы материала, измеряют на них KTP u физико-механические характеристики и выбирают по ним те соотношения компонентов шихты — крупного и мелких, которое обеспечивает сохранение необходимого уровня КТР при максимальных (необходимых) физико-механических характеристик, Задача достигается путем осуществления последовательно подбора компонентов шихты — крупного и мелкого. Установлено, что для углеродных материалов, полученных на основе комбинированных наполнителей, т,е, из шихты, состоящей из двух и более компонентов, существенно различных по крупности, величина КТР определяется типом и размером частиц крупного компонента. Указанный эффект проявляется, если крупность частиц мелкого компонента не менее, чем в три раза, меньше крупности частиц крупного компонента, а массовая доля мелких компонентов в шихте не превышает 40 мас, . В то же время увеличение содержания мелкого компонента в шихте приводит к повышению физико-механических характеристик материала, В связи с этим предлагаемый способ регулирования позволяет оптимизировать соотношении между KTP и физико-механическими характеристиками получаемого материала, добиваясь повышения прочностных характеристик при сохранении заданного уровня

КТР, Пример 1. Требуется изготовить углеродный материал с KTP не выше

3,3 106 K,,с пределом прочности на сжатие не менее 45 МПа. по технологии, 003083 включающей размол наполнителя, смешение с феналформальдегиднай смолой, горячее прессование, обжиг и графитацию. Для этого сначала осуществляют подбор крупного компонента напалнителя, используя два типа ориентировочно выбранных коксов, адин из которых имеет игольчатую, а другой — изатрапную структуру, Коксы измельчали да различной крупности частиц. после чего на их основе изготавливали образцы графита и измеряли на них КТР. Полученные данные приведены в табл.1.

На основании данных таблЛ выбирали в качестве крупного компонента шихты игольчатый кокс с крупностью частиц менее

90 мкм. Затем, добавляя к выбранному крупному компоненту мелкий компонент— порошок кокса и изотропной структурой, измельченный до крупности частиц менее

30 мкм, готовили 3 состава, содержащих 20, 40 и 60 мас.% мелкого компонента. На основе этих составов изготавливали образцы

Из данных табл.2 видно, что образцы графита на основе только одного компонента — кокса с игольчатой структурой, имеют низкие физико-механические характеристики при заданном уровне КТР, Введение в

30 шихту 20 мас. мелкого компонента позво-. ляет существенно оптимизировать соотношение между КТР и физико-механическими характеристиками графита: повысить до заданного уровня прочность на сжатие и при сохранении низкого (заданного) уровня KTP образцов, изготовленных иэ шихты даже с небольшим содержанием (15 мас; ) мелкого компонента, крупность частиц. которого превышала 30 мкм, оказался выше заданно- 40 га значения, хотя прочность образцов возросла незначительно (см.табл,2), В качестве крупного или мелкого компонента шихты можно использовать смеси наполнителей различных типов, различающихся по крупности частиц. В этом случае предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

П р и и е р 2, Ilo технологии, аналогичной использованной в предыдущем примере, требуется изготовить мелкозернистый графит, имеющий следующие характеристики:

КТР, К

Предел прочности на сжатие, МПа Не менее 70

Модуль Юнга, МПа Не менее 10

Предельный размер зерна, мкм 60 (3,6 + 00, 1} 10 6 55 материала, измеряли на них КТР, предел . прочности на сжатие, Результаты приведены в табл.2. 25

Шихту для получения материала с оптимальным (заданным) соотношением КТР и физико-механических характеристик готовили в следующей последовательности, Сначала осуществляли подбор крупного компонента, причем эта операция существенно упрощена, т.к. предельный размер частиц крупного компонента фактически задан требованиями к материалу, По уже известным данным табл.I в качестве крупного компонента шихты выбирали игольчатый кокс с крупностью частиц менее 60 мкм. На основе выбранного крупного .компонента готовили ряд составов, добавляя к нему 20, 40 и 45 мас.% смеси мелких компонентов— искусственнага графита, с крупностью частиц менее 10 мкм и сажи с крупностью частиц менее 0,2 мкм, взятых в соотношении

3:1. Полученные составы использовали для получения образцов графита, на которых затем измеряли КТР, предел прочности на сжатие и модуль Юнга. Результаты приведены в табл.З.

На основании данных табл,3 выбирали соотношение крупного и мелких компонентов шихты, обеспечивающих получение материала с оп-èì.àëüíû.ì .(эаданным) соотношением между КТР и физико-механическими свойствами: 60 крупного компонента игольчатого кокса с крупностью частиц менее 60 мкм и 40% смеси мелких

Kot4fl0H8HT0B — искусственого графита и сажи.

Возможен случай, когда графит с заданными свойствами необходимо получить располагая только одним конкретным типом наполнителя, варьируя только крупность его частиц, как эта показано на следующем примере.

Пример 3. Требуется изготовить среднезернистый графит (предельный размер зерн" <1,5 мм) с линейным КТР (в диапазоне температур измерения 20 — 200 С) не выше 4,0 10 К .и максимальными физикомеханическими характеристиками по традиционной углекерамической технологии, включающей измельчение и рассев прокаленного кокса, горячее смешивание са среднетемпературным каменноугольным пеком, горячее прессование в глухую матрицу: обжиг и графитацию.

Шихту для получения графита готовят иэ крупного и мелкого компонентов одного и того же типа — иэотропного нефтяного пиролизнаго кокса, в следующей последовательности. В качестве крупного ком lас нента используют механическую смесь двух фракций измельченного кокса — (500-1250) мкм и <500 мкм в соотношении 3;2. Нэ основе полученной смеси изгатавливают по npv,2003083 (56) Krnlbbs R.H. Fracture in polycrystalline

graphite. J.Nucl.Mater, 1967, ч.24, М 2, р.174-187 (прототип), Таблица1

Крупность частиц наполнителя и коэффициент линейного термического расширения графитов на его основе для коксов.с различной структурой

Таблица2

Коэффициент термического расширения и предел прочности на сжатие образцов графита на основе смесей крупного и мелкого компонентов веденной выше технологии образцы графита и измеряют на них КТР вдоль оси прессования. Так как полученное значение КТР составило 3 5 10 К, т.е, не превышало заданного уровня, в дальнейшем получен- 5 ную смесь используют в качестве крупного компонента шихты„

Затем готовят ряд составов;: добавляя к крупному компоненту от 25 до 50 мас.g мелкого компонента.— того же кокса, с раз- 10 мером частиц менее 90 мкм, На основе полученных составов получали образцы графитов и измеряли на них KTP и физикомеханические характеристики (модуль Юнга и предел прочности при растяжении). 15

Результаты представлены в табл.4.

На основании данных табл.4, для рол1учения материала с КТР, равным 3,9 10 К, и повышенными физико-механическими ха- 20 рактеристиками выбирают долю мелкого компонента шихты, равную 35 мас.$. Гранулометрический состав пихты наполнителя, обеспечивающий достижение поставленной цели, достигается смешени- 25 ем трех различных фракций в следующих пропорциях;

Компонент Размер Содержание шихты частиц, мкм в шихте, мас. $

Крупный 500""1250 39

0-500 26

Мелкий 0-90 35

Таким образом, предлагаемый способ позволяет оптимизировать соотношения между КТР и физико-механическими характеристиками материала, добиваясь максимальных физико-механических характеристик при заданном уровне KTP путем раздельного подбора типа и крупности частиц крупного и мелкого компонента, если размер частиц мелких компонентов не менее чем в три раза меньше размера частиц крупного компонента, а массовая доля мелких компонентов в шихте не превышает

40;6.

003083

Таблица3

Коэффициент термического расширения, предел прочности на сжатие и модуль Юнга образцов графита на основе смеси крупного и мелких компонентов

Коэффициент термического расширения, предел прочности при растяжении и модуль Юнга образцов графитов на основе смесей крупных и мелких фракций кокса

Формула изобретения

Составитель В.Самойлов

Редактор Т.Никольская Техред M.Mîðãeíòàä Корректор О. Густи

Тираж Подписное

НПО"Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/Ь

Заказ 3230

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

1. СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНЫХ

МАТЕРИАЛОВ, включающий варьирование типа и крупности частиц наполнителя, отличающийся тем, что предварительно для одного или нескольких ориентировочно выбранных типов HBlloflHNTBllR изготавливают образцы материала с различной фиксированной крупностью частиц, измеряют на них коэффициент термического расширения (КТР) и по измеренным значениям подбирают тип и размер частиц крупного компонента наполнителя, обеспечивающие необходимый уровень

КТР, затем на основе выбранного крупного компонента готовят ряд составов шихты, добавляя к крупному компоненту различные фиксированные доли .мелких компонентов, размер частиц которых существенно меньше размера частиц крупного компонента, изготавливают из полученных составов образцы материала, 5 измеряют на них KTf и физико-механические характеристики и выбирают по ним то соотношение компонентов шихты, крупного и мелких, которое обеспечивает сохранение необходимого уровня КТР при

10 максимальных необходимых физикомеханических характеристиках.

2. Способ по п,1, отличающийся тем, что размер частиц мелких компонентов не менее чем в три раза меньше размера частиц крупного компонента, а массовая доля мелких компонентов в шихте не превышает 40 .