石墨棒浸渍处理以提高其强度用耐磨性

石墨材料是冶金、化工、电子和核工业等部门广泛使用的导电材料和结构材料,但是由于石墨材料耐高温氧化性差,限制了它的使用范围,降低了使用寿命,因此各国竞相开展了提高石墨材料表面抗氧化涂层的研究,特别是用有机硅树脂浸渍更引起人们的注意。例如,采用聚硅氧烷、聚硼硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硼硅氧烷等,浸渍石墨并烧结后均能提高石墨制品的高温氧化性能。国防科技大学五系五○五研究室采用新型有机硅树脂聚碳硅烷(Polycarbosilane)对石墨材料进行浸涂,使石墨材料的耐氧化性能得到明显提高。聚碳硅烷是制造碳化硅纤维的原料。

碳一石墨制品的使 对浸渍规划问题连行分折：

一方面希望 用参数不断提高，其应用领域也不断扩大。 制品的成本越低越好。另一方面．又希望制品 为此．根据各种不同使用情况，作为碳材，需 质优性能好，创造的价值越高越好。由此可 采取相应工艺措施(常用的有浸渍)进行处 知．这是具有两个目标函数的规划问题。建 理，以满足市场和用户的需求。 立数学模型如下： 碳一石墨制品经焙烧、石墨化，在烧结过中有 热解气体排出，不是致密的，存在气 (即：获取利润最大) 孔，因而要进行浸渍处理，成为不透性材料。 浸渍就是将液态物质在一定的温度和压力下 浸人制品的微孔中，然后按浸渍目的和浸渍 剂的性质，将浸渍过的制品作相应的热处 理． 使浸渍剂固化、碳化，驱除溶剂或密实 等。浸 渍目的主要是提高制品的机械强度、耐 磨性、 耐鹰蚀性．电和热的传导性，降低制 品对气 体、液体的渗透』生，并使其性能均 一。 =、浸渍“规划” )广_-技术指标；值； 碳 一石墨制品的配料和半成品各生产工 ￡(x)一生产成本；k一生产安全系数 艺错综复杂，怎样才能取得较优的工艺方案， 约束条件： 使经济效果好，应用“规划法” 能迅速达到选 (1)g．(x)≥0，i=1，2， ，m一 优的效果。 同样．要想浸渍制品能得到用料 (攫渍制品的技术指标) 最省、成本最 低、工作性能最好、质优价廉，技 (2)}ll(X)≥O，j=l，2， ，P 术经济效果最佳 的结果，运用“数学规划问 (生产中各项成本) 题”理论于浸渍．采用 最优化设计，使工厂生 包括：与年产量成正比的可变费用(生产 产碳材料更富竞争力，同时对工厂获取利润 工人工资、生产原材料费，使JH设备和工装的 大有卒孥益， 折旧、维修费，能源电力消耗赞等)和不变费 从浸渍规划问题中，欲追求其成本最低、 用(调整工人工资、专用没备和专用工装的损 性能最好的目标．影响因素和限制条件较复 耗费、车阈经费、企业管理赞等)——可用概 罗新阳．男．高级工程师。 ·256· !006(1) 率统计公式。 。 ③提高制品的电和热的传导性； (3)x∈D (浸渍制品技术指标的合 ④降低对气体、液体的渗透性(气密性： 格标准) 材料组织紧密、无孔隙．不渗漏，易成形加 (4) k≥1 (生产安全系数) 工)，使浸后制品性能均一。 2．求解 列出项如下： 建立了数学模型以后，就可惜助各种解 “x)：C】Xl+G X2+c3x3一已X4 题方法，解出](i值。 其中x，——机械强度； 既 然浸渍规划问题是两个目标函数的规 X：——耐磨，耐腐性； 划问题，就可用约束法(即：抓住一个主要目 X——电和热的传导性； 标函数，将其余目标函数￡(X)给出希 x——渗透性 望值后，加到约束 条件里面去，构成新的单目 再分析浸渍制品加工后产品的不同使用 标规划问题)处理化简成(也可用评价函数 要求，将目标函数f(x)的有关项进行合理选 法、分层序列法等进行处理化简)单目标(线 取，又可简化运算。如浸后制品加工成： 性或 非线性)规划问题：

①机械密封动、静环及其它转轴密封使 目标函数 用时，要求性能可靠、寿命l毛、功耗少。 约束 条件 ＆(x)≥0，i=1，2， ，113 ②轴承使用时，要求刚度最大，功耗最 小，温升最低。 丘(x)≤￡o ③电刷使用时，要求导电、导热、润滑性 x∈D 良好。且对换向器或滑环的磨损甚微。 其中一事先给定的希望值，￡o≥黑色E(x) ④换热器用换热块使用时。要求强度高、 ￡(x)一假定主要目标函数 传热好，抗腐蚀、抗热震、抗冲击且结构致密 在约束可行区域内搜寻目标函数极值 优质不渗。 (即约束最优化方法)，使目标函数具有最大 2)分析应满足的约束要求，从而列出约 值的可行点，即是 束条件＆(x)的具体各项。 问题的最优解。 应满足约束要求： 要满足浸渍制品技术指标要求，需寻求 ①浸渍液(剂)配方(如：环氧、呋喃、酚醛 “浸渍规划 单目标函数问题”￡(x)的解[以下 树脂+稀释剂+固化剂)，浸物含量、浸液粘 省去，用f(x)代替 L(X)j。 度； 1)分析浸渍目的．从而列出浸渍目标函

②浸透：抽真空压力x时阋+浸入量[体 数“x)的具体各项。 积X(压力+温度)]； 浸渍目的： ③浸后热处理，使浸渍剂固化(或碳化、 ①提高制品的机械强度(硬度Hs、抗压 驱除溶剂、密实、碳化硅等)： 8，、抗折8：)(可避免产生强度破坏和端面变 [变动温度(升温曲线)+压力]×时问 形)；

④浸渍次数j。≥1(二次或多次) ②提高制品的耐磨(磨耗少使用寿命 故列出约束条件g．(x)的具体项为 长)、耐腐蚀性(不产生有碍端面滑动特性的反应生成物)； 其中——技术参数xj合格的下界和 b。——所需i】寸ihj (h) 上界 固化压力——‰ ≥0 (MF'a) 矩阵A= 固化时间——；浸渍次数——j．≥1的整数 设汁变量： ?，。kl+a32。‰：+一+句 “bⅢ，8-¨I¨“k¨l+1 j 埘优化目标影响最大的独莅参数挑选m 来作为设计变量x。碳一石墨坯料(筒科．方 Xl tXj2，X13 料及已加工成各种形状的半成品)浸渍前的 X21，x笠， 参数： X= x3l'xj21xzz xlI——硬度Hs， Ⅺl，xn，x43 ‰——抗折强度(MPa) 浸渍液(剂)配方——a，I+a12+a13(如： 砘——抗压强度(MPa)， 树脂+稀释剂+固化剂) x2。——摩擦系数p， 浸 物含量——a。 (如：树脂／浸液％) ‰——磨损值150h， 漫液 粘度——ab=-q  轴——石墨化灰份(％)， 抽真空压力——a2． (ⅫPa) x，l——电阻系数p， 抽真空时间—— b (h) 殛：——(一对电刷)接触电压降(V)， 浸入量： k——导热系数x， r—一 浸渍系数——a。=、／毒￡·v，；：而 ‰——体积密度(e／cm3)． ～：——开口气孔率(％)， 其中E——开口气孔率(％)； 硒——颗粒度 r一气孔的平均直径 (CI'TI)； 注： r一浸渍剂的表面能(尔格／cIll2)； 当加工浸后制品用作换热块时，目标函 §一固一液边界上的澜湿角； 数“x)值第3项GX传热可由公式(对热传 ”一浸液牯度(Pa-s) 导和对流均适用) 浸渍时间——k=√t-- dQ=一九(dr／an)dAdr 式中卜-时间(s) 式中d卜热量微分子(J) 与浸渍方向垂直的浸料(筒料、方料及已 ^——导热系数：W／(m·K)j； 加工成各种形状的半成品)的表面积一s T--温度： (c矗)；漫渍压力——P(MPa)；浸溃温度—— n一流速(周围介质流动速度：咖u(0·5)1； T(℃) dA——表面积热处理(固化)： dr一一切应力(Pa) 升温曲线——a3l×k+如x b】2+ + 得出： a3m×b，。 抵——导热系数x ‰——温度范围及升温速度， c3—_(DT／an)dAdr i=1，2， ，m(ac，h) 从上述建立的数学模型看是属非线性规 ·258- 划同题，可选用复台形算法(可凭经验给出初 始可行点)进行迭代运算，优选出设计方案， 体积密度 硬度 开口气孔率．也m系数 再进行分析判断(评估是否最优)是否符合浸 (g，c矗) (1tRl0／％0) (曙) i(附) 渍实际。 加压 l 66 90 19 48 三、“规划”理论用于浸渍实践 无压 1 78 109 】3 42 通过“规划”理论运用于浸渍实践，同时 跟踪浸渍生产，收集大量检测数据，再反复进 表1中对比数据说叫，无压固化产品质 行研判，收到事半功倍的效果，对工作大有裨 量优于加压固化。可见，“规划”理论用于浸 益! 渍，优选出无压固化的设计方案，符合浸渍实 1．电刷浸渍酚醛树脂固化 际，是可行的。采用大罐无压固化，既解决工 为防浸物(酚醛)含量(约束矩阵A中 厂原有设备固化与生产矛盾，又保证生产安 全，同时固化产品质量稳定上升。为此，后来 轧)在固化中溢出。通常固化压力(约束矩阵 工厂修建窑炉专作无压固化使用，采用多种 A中电。)需高于浸渍压力P(参见约束矩阵 设备固化，大批投产难题迎珊d解。 A第二行第二列项)，在试生产中，固化设备 2．换热块浸渍树脂 采用小罐(加热方式为罐外通电)，随着需求 由于碳一石墨坯料浸前参数K，、K、Ⅺ， 量增加，小罐固化已满足不了生产需求，设备 改为中罐(罐外燃气加热)，由于中罐设备所 及k不同，原浸渍剂使用呋喃协脂。浸渍次 承受压力限制，固化压力由此改为等于(或低 数i．有多至5次，现改用浸物禽量a。较高的 于)浸渍压力，叉随着批量扩大，需大批量投 酚醛树脂，浸渍效果明显改观，在清除表面少 产，工厂设备不能满足生产要求，固化设备再 量结团残留物后，只精漫一次，总浸渍次数j。 次更改为大罐。 =2，就已取得满意的效果，从而降低了浸渍 使用大罐设备为罐内通电加热，而酚醛 成本。 树脂浸液中因漫物(酚醛)含量较少，乙醇(酒 四、结论 精)含量多(乙醇：闪点12．78℃，沸点 78．31℃，最易引燃浓度7．1％)，固化中乙醇 按加工制品的不同用遮，采用的浸渍剂 挥发在罐内浓度大，安全问题急待解决。需 有：1．碳化类(煤焦油沥青等)；2．聚台类(各 要固 化压力(a。+；)约束由六于浸渍压力P再 种合成树脂)；3．漫金属(银、铜、铝、锑、巴氏 次降低至 a3。+。=0(即不加压固化)，采用无 合金等)；

4．浸润滑剂、油脂、卤化物(机汕、石 压固化前无先 例．又要保证固化产品质量合 腊煤油、皂化液、硬脂酸铅、氯化钡等)。无论 格，运用浸渍规 划，优选出设计方案，编制出 选用哪类浸渍剂及其裎物含量，均可将“规 《浸电刷工艺规程》，先采用少量待国产品在 划”理论用于浸渍，对浸凌制摄质量均能稳步 烘箱内作试验，掌握第一手数据资料对无压 上升，使用参数不断提高。质优价廉．满足用 固化的可行性及质量保证进行评估考证，经 户需求，拓宽碳材应用领域