浸铜用炭石墨材料的结构设计和制备研究
炭石墨材料因其具有自润滑性、耐高温、耐腐蚀、可以在不需要润滑剂的工
况下保持良好的抗摩擦磨损性能，广泛地用作密封和耐磨材料，应用在航空航天
领域。虽然炭材料具有许多金属及其他材料所无法取代的性能，但是一般的纯炭
石墨材料不能满足于某些高性能密封领域的使用要求。浸铜炭石墨材料提高了炭
石墨材料的导热率和机械强度，降低了炭石墨材料的孔隙率，改善了炭石墨材料
的韧性和易加工性，因此是一种应用于机械密封领域的特殊工程材料。浸渍金属
炭石墨材料的性能主要取决于基体炭石墨材料的性能，作为浸渍金属的基体炭石
墨材料，除了要满足一定的机械强度之外，对基体炭石墨材料的孔隙结构也有很
高的要求。
本论文通过冷压炭化工艺，以沥青焦为主要骨料、炭黑为辅助骨料，以适量
石墨为润滑组元，以硫改性煤沥青为粘结剂，制备了多种基体炭石墨材料。较为
系统地研究了原料（骨料）种类和配比对基体炭石墨材料微观结构和性能的影响，
以及浸铜对基体炭石墨材料性能的提高和改善。主要实验内容和结论如下：
１沥青焦和粘结剂对基体炭石墨材料结构和性能的影响
以煤焦油沥青为原料，通过硫改性制得硫改性沥青粘结剂，以沥青焦为骨料，
制备炭基体材料。考察了以沥青焦为单组分骨料所制得炭基体材料的基本物理和
机械性能。研究结果表明，沥青焦与粘结剂的质量比为６４：３６时，所制得的炭基
体材料抗弯强度达到６３．６ＭＰａ、抗压强度达至１Ｊ２６４．１ＭＰａ、密度达到１．６５９／ｅｍ３，开
孔率为１４．４％，孔径分布较集中，孔径值分布在２．０”－’０．９９ｍ，是较为理想的组成
配比。
２炭黑和粘结剂对基体炭石墨材料结构和性能的影响
以煤焦油沥青为原料，通过硫改性制得硫改性沥青粘结剂，以炭黑为骨料，
制备炭基体材料。考察了以炭黑为单组分骨料所制得炭基体材料的基本物理性
能。研究结果表明，炭黑与粘结剂的质量比在４３：５７时，所制得的炭基体材料抗
弯强度达至ｌＪ６０．５ＭＰａ、抗压强度达至Ｕ２２２．６ＭＰａ、密度达到１．５０９／ｃｍ３，开孔率为
ＩＶ
摘要
１２．１％，孔径分布较集中，孔径值分布在０．７～Ｏ．２１ｘｍ，是较为理想的组成配比。
３以沥青焦和炭黑为骨料，考察其配比组成对基体炭石墨材料结构和性能的影响
以沥青焦为主要骨料，以炭黑为辅助骨料，以煤焦油沥青为原料，通过硫改
性制得硫改性沥青为粘结剂，以人造石墨粉为润滑组元，制备了基体炭石墨材料。
保持石墨的质量百分比不变，通过改变沥青焦和炭黑的含量，考察沥青焦和炭黑
的含量关系对材料性能的影响，其中粘结剂的含量是随沥青焦和炭黑含量的不同
而成比例的改变。研究结果表明炭黑的加入可以改变材料内部的孔隙结构，增加
材料的强度，可以调节孔径的分布，其中炭黑含量在２４ｗｔ％、沥青焦含量在６６ｗｔ％
时，材料具有较合理的孔径分布，孔径分布在０．７～Ｏ．１ｌ，ｔｍ，所制备的材料是较好
的适于浸铜用的基体炭石墨材料。
４粘结剂含量对基体炭石墨材料结构和性能的影响
以沥青焦为主要骨料，以炭黑为辅助骨料，以煤焦油沥青为原料，通过硫改
性制得硫改性沥青为粘结剂，以人造石墨粉为润滑组元，制备了基体炭石墨材料。
其中骨料和润滑组元作为一个部分，通过加入不同的粘结剂，考察粘结剂含量对
材料性能的影响。研究结果表明，粘结剂的含量对材料的性能起着非常重要的作
用，对材料性能的影响较大。密度的变化从粘结剂含量为２８％时的１．４１９／ｃｍ３增
大到粘结剂含量为４４％时的１．５８ ｇ／ｃｍ３；开孔率的变化从粘结剂含量为２８％时的
２６．１％降低到粘结剂含量为４４％的１８．８％；抗压强度的变化从粘结剂含量为２８％
时的４５ＭＰａ增大到粘结剂含量为４４％的１８７ＭＰａ；抗弯强度的变化从粘结剂含量
为２８％时的ＩＯＭＰａ增大到粘结剂含量为４４％的４２ＭＰａ；孔径随粘结剂含量的增
大而变小。研究发现，对于一定组成的骨料和润滑组元，粘结剂含量在４０％时，
所制备的基体炭石墨材料具有较好的孔径分布和物理性能，孔径分布在０．５”－－”
０．１９ｍ，抗弯强度和抗压强度分别为３７．５６ＭＰａ和１６２．９１ＭＰａ，密度为１．５６９／ｃｍ３，
是适于浸铜用的较好的基体炭石墨材料。
５浸铜炭石墨材料的制备和性能研究
以基体炭石墨材料为原料，通过高温高压浸渍铜，制得浸铜炭石墨材料。考
察了浸铜对基体炭石墨材料的密度、强度、导热率等性能的影响。研究结果表明，
浸铜可以提高基体炭石墨材料的密度，增加强度，增大导热率。并对铜在炭石墨
材料内部的分布进行了讨论。