耐高溫氧化石墨材料抗氧化性能的研究-

1、文章編號:1001-8948(200502-0018-04耐高溫氧化石墨材料抗氧化性能的研究金立國1,趙曉旭1,張銳2(1哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150040;2哈爾濱電碳研究所,哈爾濱150030摘要:采用了改善炭石墨材料基體抗氧化性能和用磷酸無機(jī)高分子復(fù)合鹽處理的內(nèi)外結(jié)合的方法制備了一種耐高溫氧化石墨。這種炭石墨材料的特點(diǎn)是保持著炭石墨基體材料的特性如自潤滑性、耐磨性、硬度、強(qiáng)度等,適用于高溫富氧條件下長時間工作的動密封材料。本文論述了耐高溫氧化石墨的研制情況,并列出了在650以上不同溫度下富氧條件下的氧化失重結(jié)果。分析結(jié)果表明這種耐高溫氧化石墨材料在650下富氧條件中氧化

2、失重達(dá)5%的時間為100小時。關(guān)鍵詞:炭石墨材料;抗氧化;磷酸高分子復(fù)合鹽;浸漬處理;氧化行為中圖分類號:T Q 175.71+4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AS T U D YO NP R O P E R T YO FA N T I -O X I D I Z A T I O NO FG R A P H I T EM A T E R I A LU N D E R H I G H E RT E M P E R A T U R EC O N D I T I O NJ I N GL i -gu o 1,Z H A OX i a o -x u 1,Z H A N GR u i 2(1M a t e r i a l S

3、 c i e n c e&E n g i n e e r i n g C o l l e ge ,H a r b i nU n i v .S c i .T e c h .,H a r b i n 150040,C h i n a ;2H a r b i nE l e c t r i c a l C a r b o n I n s t i t u t e ,H a r b i n 150030,C h i n aA b s t r a c t :A n a n t i -o x i d a t i o n g r a p h i t em a t e r i a l w a s p r

4、e p a r e d b y i m p r o v i n g a n t i -o x i d a z a t i o n o f c a r b o n g r a ph i t e a n d t r e a t m e n tw i t h p h o s p h a t e i n o r g a n i c h i g h -c o n t e n tm i x e d s a l t .T h e f e a t u r e o f t h i sm a t e r i a l i s t o k e e p b a s e ,s u c h a s s e l f -l u

5、 b r i f i c a t i o n ,a b r a s i v e n e s s ,h a d n e s s ,s t r e n g t h e t c .a n d s u i t a b l e f o r s e e l i n g m a t e r i a l w o r ku n d e r h i gh t e m p e r a t u r e r i c h o x y g e n c o n t e n t c o n d i t i o n .I t s p r o c e s s o f p r e p a r a t i o nw a s d i s

6、 c u s s e d ,a n d i t s r e s u l t o f a n t i -o x i -d a z a t i o n t e s t i n g u n d e r d i f f e r e n t h i g h t e m p e r a t u r e r i c h o x y g e n c o n t e n t c o n d i t i o n a b o v e 650w a s g i v e n .A n a l y s i s r e s u l t s h o w n t h a t t h e o x i d a z a t i o

7、n g r a v i t yl o s s b e l o wa t i s 5%650a t 100h o u r s .K e y w o r d s :c a r b o n g r a p h i t em a t e r i a l s ;a n t i -o x i d a t i o n ;p h o s p h a t e h i g h -c o n t e n t c o m p o s i t e s a l t ;i m p r e g n a t i n g t r e a t m e n t ;o x i d a z a t i o n1前言石墨材料是用在發(fā)電機(jī)中

8、重要的耐磨密封件,由于石墨材料自潤滑、硬度低、摩擦小、不損傷對磨材料等特點(diǎn),在密封機(jī)器裝置上有很多方面的應(yīng)用。其使用壽命的長短,在某種意義上,決定著機(jī)器維護(hù)收稿日期:2005-01-17作者簡介:金立國(1971-,男,哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師。81炭素C A R B O N2005年第2期總第122期期的時間和維護(hù)的費(fèi)用。尤其在航空飛機(jī)的發(fā)動機(jī)中,要求質(zhì)量性能更好的密封元件。在這種高速旋轉(zhuǎn)使用條件下,會造成對磨件間溫度很高,而石墨材料的最大缺點(diǎn)是在高于450時富氧環(huán)境條件下發(fā)生氧化反應(yīng)而不能使用。由于在600溫度下石墨材料的氧化迅速增加,這樣就使石墨材料的應(yīng)用受到了很大的限制,不

9、能使石墨材料的優(yōu)良特性得以發(fā)揮。例如:在發(fā)電、熱電廠的輸熱系統(tǒng)中,設(shè)備用石墨材料在450的溫度就不能使用,尤其是在600650的溫度富氧條件下的渦軸密封或渦扇密封用石墨材料的使用更加受到限制。本項(xiàng)目正是基于石墨材料在高溫、富氧條件下抗氧化能力差的缺點(diǎn),采用磷酸無機(jī)高分子復(fù)合鹽溶液對石墨材料進(jìn)行浸漬,在經(jīng)過熱處理工藝,期望得到在600650溫度、富氧條件下使用的耐高溫氧化石墨。因此我們在這一方面的研究很有意義。2實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備(1試樣石墨塊:哈爾濱電碳廠生產(chǎn)規(guī)格:10*10m m型號:M210氣孔率:11%8%體積密度:1.861.91g/c m3(2浸漬劑用材料:磷酸、磷酸鹽、硼酸、

10、硼酸鹽等。(3主要設(shè)備1電光分析天平:分度值為0.1m g;2干燥箱:型號101-2型,最高工作溫度300;3箱式電阻爐:型號S X2-10-12,額定工作溫度1200。2.2整體的技術(shù)工藝路線如下方框圖。試樣清洗室溫干燥110恒重浸漬劑配制加熱浸漬6小時自然脫水48小時熱處理抗氧化性能測試2.3浸漬劑的配制采用磷酸鹽為主體浸漬劑就是對石墨材料中氣孔進(jìn)行封閉,減小發(fā)生氧化反應(yīng)的活性面積,降低氧化反應(yīng)的速率,從而達(dá)到延長其使用壽命。該浸漬劑以磷酸鹽為主的實(shí)驗(yàn)配方。主要材料有磷酸鋅、磷酸氫氨、硼酸和其他輔助無機(jī)鹽等,這些試劑均為分析純級。將這些試劑按一定比例混合,加入適量的蒸餾水。由于鹽的含量比較

11、大,采用加熱溶解,溫度大約為70左右,溶解后的浸漬液為均勻,透明的液體。長時間放置無結(jié)晶現(xiàn)象。2.4石墨試樣的浸漬處理工藝為提高浸漬效果,先清洗石墨試樣去除其表面的污染物。清洗過程中,先用蒸餾水清洗3次,再用酒精進(jìn)行清洗3次。將清洗后的試樣在自然條件下干燥一段時間。將清洗干燥后的石墨試樣在進(jìn)行浸漬處理之前,將試樣放在溫度為100箱式爐中加熱。然后將預(yù)熱的試樣放置在盛有事先配置好的浸漬液的容器中,并不斷的機(jī)械攪拌。同時進(jìn)行加熱,溫度控制在8090左右。這種熱浸漬工藝是保證浸漬過程中浸漬液的黏度較低,加快浸漬液的擴(kuò)散速度,還有利于氣孔內(nèi)的氣體的排出,從而加快浸漬處理時間。一般情況下浸漬處理時間為6

12、小時左右,若時間再長,其浸漬效果不是很明顯。浸漬后的試樣在空氣中自然干燥24小時,然后放置在干燥器中干燥48小時。2.5浸漬后石墨試樣的熱處理工藝熱處理工藝過程中,首先用分析天平稱量干燥后的浸漬試樣的質(zhì)量;然后將試樣放置在箱式電阻爐中進(jìn)行加熱處理。在50、100、150、200、91第2期金立國等耐高溫氧化石墨材料抗氧化性能的研究250、300、350、400、500等不同溫度下熱處理一定的時間。然后用分析天平對試樣進(jìn)行稱量,來觀察熱處理工藝中的各段的效果。一般情況下,在300溫度以上試樣的質(zhì)量變化不大,500時試樣的質(zhì)量幾乎恒定,這表明熱處理完畢。該工藝過程,應(yīng)注意熱處理溫度和時間的控制。2

13、.6抗氧化實(shí)驗(yàn)將未浸樣放置在650+10,熱處理的浸漬樣放置分別在650+10;700+10;750+10;800+10等不同溫度下空氣氣氛的箱式電阻爐中進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn),每隔一定的時間用分析天平對試樣稱量,觀察氧化失重情況。3抗氧化試驗(yàn)結(jié)果與分析利用本浸漬配方的石墨試樣,分別在650+10;700+10;750+10;800+10等不同溫度下做抗氧化試驗(yàn)及未經(jīng)過浸漬處理的石墨試樣在650+10溫度下的抗氧化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對照比較,可以得到本浸漬配方處理的石墨試樣的抗氧化效果。尤其在650+10的測試溫度下,(以石墨試樣氧化失重5%為界線其抗氧化性能可達(dá)100小時左右。以下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過大量的重復(fù)

14、的抗氧化實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果比較穩(wěn)定,僅列幾組其中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。見表1、表2、表3、表4、表5。表1未經(jīng)過浸漬的石墨試樣的氧化失重?cái)?shù)據(jù)(650+10T a b l e 1D a t a o f t h e o x i d a t i o n z e r o g r a v i t y f o rw i t h o u t i m p r e g n a t e d g r a p h i t e s a m pl e (650+10測試結(jié)果試樣5h 氧化失重/%10h 氧化失重/%15h 氧化失重/%20h 氧化失重/%25h 氧化失重/%30h 氧化失重/%未浸漬樣11.072.086.

15、126.4914.4924.49未浸漬樣21.652.756.557.0315.1626.49表2浸漬處理后石墨試樣的氧化失重?cái)?shù)據(jù)(650+10T a b l e 2D a t a o f t h e o x i d a t i o n z e r o g r a v i t y f o r i m p r e g n a t e d g r a p h i t e s a m pl e (650+10測試結(jié)果試樣5h 氧化失重/%10h 氧化失重/%20h 氧化失重/%30h 氧化失重/%45h 氧化失重/%55h 氧化失重/%65h 氧化失重/%75h 氧化失重/%80h 氧化失重/%90

16、h 氧化失重/%100h 氧化失重/%浸漬樣30.250.380.560.801.241.592.142.953.414.345.06浸漬樣40.290.440.620.811.301.692.012.663.114.074.40表3浸漬處理后石墨試樣的氧化失重?cái)?shù)據(jù)(700+10T a b l e 3D a t a o f t h e o x i d a t i o n z e r o g r a v i t y f o r i m p r e g n a t e d g r a p h i t e s a m pl e (700+10測試結(jié)果試樣5h 氧化失重/%10h 氧化失重/%15h

17、氧化失重/%20h 氧化失重/%25h 氧化失重/%30h 氧化失重/%35h 氧化失重/%40h 氧化失重/%43h 氧化失重/%浸漬樣50.741.201.471.792.223.203.995.105.80浸漬樣60.570.861.131.451.872.543.224.304.97表4浸漬處理后石墨試樣的氧化失重?cái)?shù)據(jù)(750+10T a b l e 4D a t a o f t h e o x i d a t i o n z e r o g r a v i t y f o r i m p r e g n a t e d g r a p h i t e s a m pl e (750+

18、10測試結(jié)果試樣3h 氧化失重/%7h 氧化失重/%14h 氧化失重/%19h 氧化失重/%21h 氧化失重/%23h 氧化失重/%浸漬樣70.670.911.703.354.636.24浸漬樣80.510.751.372.783.085.2302炭素2005年表5浸漬處理后石墨試樣的氧化失重?cái)?shù)據(jù)(800+10T a b l e 5D a t a o f t h e o x i d a t i o n z e r o g r a v i t y f o r i m p r e g n a t e d g r a p h i t e s a m pl e (800+10測試結(jié)果試樣2h 氧化失重/%4h 氧化失重/%6h 氧化失重/%8h 氧化失重/%浸漬樣90.551.223.075.02浸漬樣100.621.543.736.42從表1、表2在650溫度下抗氧化試驗(yàn)測試結(jié)果看出,隨著試驗(yàn)時間的延長,未浸樣的抗氧化性能遠(yuǎn)低于浸漬樣的抗氧化性能,未浸樣的氧化失重率是浸漬樣的氧化失重率的8倍左右,原