高强度块体纳米石墨材料的制备与性能研究

发布时间：2020-08-08 07:27

【摘要】：高强度石墨块体具有良好的机械性能和低孔隙率,能够加工成高性能产品,这对于核工业,航空航天技术和高科技领域至关重要,如用于加热元件,电极设备,核反应堆等。过去,通常将骨料(石墨或各种焦炭等)和粘结剂(沥青,树脂等)作为原料混合以制备石墨块体,但这个过程会导致较高的能耗和严重的污染。后来人们一直在寻找通过直接烧结石墨粉来生产石墨块体的方法,然而由于石墨的高稳定性导致烧结无法实现。随着高温核反应堆的发展,对先进的高强石墨的需求正在以前所未有的速度增长。因此,高强度石墨块体材料的研究与制备工作迫在眉睫。本研究旨在制备高密度高强度的块体纳米石墨,I并初步探索其力学性能及强化机理。首先,以不同粒径的纳米金刚石(ND)粉末作为制备石墨块体的前驱体,按一定比例进行混合,先制备出复合金刚石粉体,再在氩气的气氛下通过放电等离子体烧结(SPS)制备各向同性石墨块体材料,探究高密度块体纳米石墨的制备工艺及条件。使用X射线衍射,扫描电子显微镜,透射电子显微镜和拉曼光谱来表征该石墨的微观结构。结果显示,尺寸1OOnm,50nm,10nm的金刚石粉末按8:1:1比例混合均匀后,在80MPa压力下,以150℃/min的速率升温至1600℃,保温5min后所制备的石墨块体密度最大,高达1.89g/Cm3。该石墨的颗粒微观形貌为“洋葱”状小球。其次,结合制备出来的高密度各向同性块体纳米石墨,进一步探究其力学性能及强化机理。利用抗弯、抗压、纳米压痕和划痕测试来表征该石墨的机械性能。结果表明,由于其独特的内在结构,所制备的石墨块体具有超高的弯曲强度、抗压强度、杨氏模量和显微硬度,分别为160MPa,350MPa,33GPa和2.5GPa。纳米石墨洋葱是以C60为核的准球形碳纳米粒子,通过理论计算研究了约有70层球壳的纳米石墨洋葱模型的应力-应变状态,用静水压法对其进行加载,最终正确地表示出纳米石墨洋葱的受力分布情况。这种石墨块体材料由于其独特的结构和优异的性能,预计能在传统石墨无法承受的强应力苛刻环境中起关键作用。
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.1
【图文】：

六方结构,晶体结构,层间距,石墨化度

逦高强度块体纳米石墨材料的制备与性能研究逦逡逑堆积，层间距较大，通过石墨化热处理，乱层结构会提高其规则性，层间距变小逡逑（Ｂｕｃｋｌｅｙｅｔａｌ．，１９９３）。通常用层间距来表７ＴＣ石墨化度（Ｂａｃｏｎ，邋１９５６）：逡逑ｇ邋＝邋（０．３４４０邋－邋ｄＯＯ２）／（０．３４４０邋－邋０．３３５４）逦（１－１）逡逑式中，ｇ为石墨化度（％），０．３４４０和０．３３５４分别为完全未石墨化和理想晶体的层逡逑间距离，为石墨样品的（００２）面间距。可以通过布拉格公式（Ｋｌｕｇ，１９５４）求得：逡逑Ｘ邋＝邋２ｄ００１邋ｓｉｎ０逦（１－２）逡逑式中，九为Ｘ射线波长，为面间距，０为（００１）面的衍射角。逡逑

多晶石墨,生产工艺流程

焙烧和浸渍工艺需要多次重复，最后在超过ｌ000°Ｃ的温度下进行石墨化得到多晶石逡逑墨块体。普通石墨生产周期长，能耗高，污染大，产品品质不容易控制，主要用于一逡逑般的电极、坩埚、发热体等。图１－３为普通多晶石墨的生产工艺流程图Ｏｎａｇａｋｉｅｔａｌ．，逡逑２０１３）。逡逑７逡逑

基本系统

ＳＰＳ工艺中，粉末颗粒表面比常规电烧结工艺更容易纯化和活化，并且促进了材料在逡逑微观和宏观间转移，因此与传统工艺相比，ＳＰＳ可以在更低的温度和更短的时间内获逡逑得更高质量的烧结体。图１－６示出了典型的直流脉冲电流路径以及用导电粉末材料，逡逑并且在ＳＰＳ烧结过程中，脉冲电流如何流过模具、石墨冲头和粉末颗粒的。ＳＰＳ过程逡逑是一种电烧结技术，它将来自特定脉冲发生器的直流脉冲电压和大电流施加到颗粒粉逡逑末，不仅促进烧结，还有效地消除了存在于粉末颗粒表面上的吸附气体、氧化膜和杂逡逑质。逡逑１５逡逑

【参考文献】