專利名稱：硼取代炭材料的生產方法
技術領域：
本發明屬于硼取代炭材料的生產方法，具體地說涉及一種由硼取代中間相瀝青制備硼取代燒結炭粉及由該炭粉制備高強度B/C材料的方法。
炭材料因其優異的性能而廣泛應用于航空、航天以及冶金等領域，但因其在高溫含氧氣氛中易于氧化的特點使其應用受到限制。許多研究表明，在炭基體中引入硼及硼的化合物，不僅使炭基體的氧化反應得到抑制，而且改善了炭基體的機械和結構性能。盡管對硼摻雜的炭已進行了廣泛的研究，但制備工藝還有待改進。常用的固態彌散摻雜硼的方法有許多缺點，彌散工藝需要非常高的溫度和較長的持續時間，而且彌散通常不均勻。化學氣相沉積法雖然可制備出較高濃度的B/C材料，但其較低的沉積速率及最終的結構難以控制，難以制備出大塊勻質的B/C材料。為克服上述不足，德國學者A.Backer等人報道了用硼取代中間相瀝青制備B/C材料的方法，該方法是用軟化點為102℃不含喹啉不溶物(過濾的)煤焦油瀝青與吡啶硼烷絡合物混合均勻，硼添加量為0.5％和1％，在1MPa壓力420℃的溫度下反應10小時，得到硼取代中間相瀝青。然后經四氫呋喃抽提，不溶物干燥后，研磨至粒度d≤10μm，在125-200MPa壓力下冷壓成型，密度1.24-1.31g/cm3，1300℃炭化后，密度1.72-1.86g/cm3，抗折強度為95-135MPa。該法的缺點是由于用四氫呋喃溶劑抽提，難以控制燒結粉末的可塑性。
本發明的目的是提供一種操作簡單，成本較低，適合批量制備硼取代炭材料的生產方法。
本發明的目的是這樣實現的采用不含喹啉不溶物的煤焦油或軟化點70-115℃不含喹啉不溶物的煤焦油瀝青和吡啶硼烷絡合物為原料，按重量比為煤焦油瀝青或煤焦油∶硼＝100∶0.2-50的比例混合均勻，在0.4-2MPa的壓力和380-460℃的溫度下反應4-20小時，將所得中間相瀝青經N2吹掃后，揮發分10-20％，在160-300℃的空氣或氧氣中氧化0.5-20小時，得到硼取代燒結炭粉。該炭粉研磨至d≤100μm，在70-120MPa壓力下冷壓成型，炭化和石墨化后獲得高密度、高強度的炭材料。
如上所述的吡啶硼烷絡合物可以是純的液態或者吡啶硼烷絡合物的吡啶溶液。
本發明具有以下優點1.采用N2吹掃，氧化處理硼取代中間相瀝青，簡化了操作步驟，降低了成本，而且適合批量生產。
2.通過N2吹掃，氧化處理硼取代中間相瀝青，有效地改善了硼取代燒結粉末的燒結性能。
3.由于粉末較好的可塑性，在較低的成型壓力下可獲得具有較高機械強度的炭制品。
本發明的實施例如下實施例1取軟化點為70-73℃不含喹啉不溶物的煤焦油瀝青和吡啶硼烷絡合物的吡啶溶液，按重量比為煤焦油瀝青∶硼＝100∶0.2的比例混合均勻，在0.8MPa壓力和430℃的溫度下反應15小時，得到硼取代中間相瀝青。經N2吹掃至揮發分為18.2％，在160℃的空氣中氧化20小時，揮發分為13.6％。氧化粉末研磨至粒度d≤30μm，在70MPa壓力下冷壓成型，密度為1.19g/cm3，1300℃炭化后，密度為1.70g/cm3，抗折強度為135MPa。2400℃石墨化，密度為1.91g/cm3，抗折強度為122MPa。
實施例2取軟化點為88-90℃不含喹啉不溶物的煤焦油瀝青和吡啶硼烷絡合物的吡啶溶液，按重量比為煤焦油瀝青∶硼＝100∶5的比例混合均勻，在1.2MPa壓力和420℃的溫度下反應10小時，得到硼取代中間相瀝青。經N2吹掃至揮發分為12.6％，在180℃的氧氣中氧化6小時，揮發分為10.1％。氧化粉末研磨至粒度d≤70μm，在100MPa壓力下冷壓成型，密度為1.23g/cm3，1200℃炭化后，密度為1.72g/cm3，抗折強度為125MPa。2200℃石墨化，密度為1.90g/cm3，抗折強度為112MPa。
實施例3取軟化點為102-105℃不含喹啉不溶物的煤焦油瀝青和吡啶硼烷絡合物的吡啶溶液，按重量比為煤焦油瀝青∶硼＝100∶15的比例混合均勻，在0.4MPa壓力和400℃的溫度下反應12小時，得到硼取代中間相瀝青。經N2吹掃至揮發分為14.8％，在260℃的氧氣中氧化3小時，揮發分為9.3％。氧化粉末研磨至粒度d≤40μm，在110MPa壓力下壓制成型，密度為1.25g/cm3，1200℃炭化后，密度為1.76g/cm3，抗折強度為175MPa。2000℃石墨化，密度為1.95g/cm3，抗折強度為163MPa。
實施例4
取軟化點為112-115℃不含喹啉不溶物的煤焦油瀝青和吡啶硼烷絡合物的吡啶溶液，按重量比為煤焦油瀝青∶硼＝100∶25的比例混合均勻，在1MPa壓力和380℃的溫度下反應20小時，得到硼取代中間相瀝青。經N2吹掃至揮發分為10.1％，在200℃的空氣中氧化1小時，揮發分為8.5％。氧化粉末研磨至粒度d≤10μm，在85MPa壓力下冷壓成型，密度為1.21g/cm3，1300℃炭化后，密度為1.75g/cm3，抗折強度為158MPa。2200℃石墨化，密度為1.97g/cm3，抗折強度為143MPa。
實施例5取不含喹啉不溶物的煤焦油和吡啶硼烷絡合物，按重量比為煤焦油∶硼＝100∶35的比例混合均勻，在1.5MPa壓力和410℃的溫度下反應8小時，得到硼取代中間相瀝青。經N2吹掃至揮發分為17.7％，在220℃的空氣中氧化12小時，揮發分為12.5％。氧化粉末研磨至粒度d≤100μm，在120MPa壓力下冷壓成型，密度為1.26g/cm3，1000℃炭化后，密度1.72g/cm3，抗折強度為105MPa。2600℃石墨化，密度為1.88g/cm3，抗折強度為85MPa。
實施例6取不含喹啉不溶物的煤焦油瀝青和吡啶硼烷絡合物，按重量比為煤焦油∶硼＝100∶40的比例混合均勻，在2MPa壓力和460℃的溫度下反應4小時，得到硼取代中間相瀝青。經N2吹掃至揮發分為20.0％，在300℃的空氣中氧化0.5小時，揮發分為14.0％。氧化粉末研磨至粒度d≤50μm，在90MPa壓力下冷壓成型，密度為1.22g/cm3，1300℃炭化后，密度為1.74g/cm3，抗折強度為118MPa。2400℃石墨化，密度為1.89g/cm3，抗折強度為82MPa。
實施例7取不含喹啉不溶物的煤焦油瀝青和吡啶硼烷絡合物，按重量比為煤焦油∶硼＝100∶50的比例混合均勻，在1.7MPa壓力和450℃的溫度下反應6小時，得到硼取代中間相瀝青。經N2吹掃至揮發分為19.5％，在240℃的空氣中氧化15小時，揮發分為8.0％。氧化粉末研磨至粒度d≤20μm，在80MPa壓力下冷壓成型，密度為1.19g/cm3，1200℃炭化后，密度為1.70g/cm3，抗折強度為95MPa。2200℃石墨化，密度為1.87g/cm3，抗折強度為70MPa。
權利要求
1.一種硼取代炭材料的生產方法，其特征在于采用不含喹啉不溶物的煤焦油或軟化點70-115℃不含喹啉不溶物的煤焦油瀝青和吡啶硼烷絡合物為原料，按重量比為煤焦油瀝青或煤焦油∶硼＝100∶0.2-50的比例混合均勻，在0.4-2MPa的壓力和380-460℃的溫度下反應4-20小時，將所得中間相瀝青經N2吹掃后，揮發分10-20％，在160-300℃的空氣或氧氣中氧化0.5-20小時，得到硼取代燒結炭粉；該炭粉研磨至d≤100μm，在70-120MPa壓力下冷壓成型，炭化和石墨化后獲得高密度、高強度的炭材料。
2.如權利要求1所述的一種硼取代炭材料的生產方法，其特征在于所述的吡啶硼烷絡合物是純的液態或吡啶硼烷絡合物的吡啶溶液。
全文摘要
一種硼取代炭材料的生產方法,將不含喹啉不溶物的煤焦油或不含喹、啉不溶物的煤焦油瀝青與吡啶硼烷絡合物按一定比例混合均勻,在0.4－2MPa壓力和380－460℃的溫度下反應4－20小時,得到硼取代中間相瀝青。該中間相瀝青經N
文檔編號C10C3/02GK1388210SQ0111933
公開日2003年1月1日 申請日期2001年5月29日 優先權日2001年5月29日
發明者劉朗, 張麗芳, 宋進仁, 要立中 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所