一种新型玻璃碳的制备方法与流程 | 一见知得 | Mr J Blog

一种新型玻璃碳的制备方法与流程

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本发明属于无机非金属材料领域,涉及一种以普通玻璃碳为原材料,在高温高压条件下制备高性能新型玻璃碳的方法。

背景技术:
碳具有多种同素异形体,每一种同素异形体的出现都极大地促进了科技发展及社会进步。这些同素异形体通常以亚稳态存在,例如金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等都属于亚稳材料,其中富勒烯和石墨烯的发现者分别获得了1996年诺贝尔化学奖和2010年诺贝尔物理学奖。碳的多种同素异形体现象源于其sp、sp2和sp3三种杂化方式。不同的杂化方式往往表现出截然不同的物理和化学性质。具有两种或两种以上杂化方式的碳构型可望发挥不同杂化方式的特性,形成具有奇异功能组合的碳材料。
玻璃碳(Glassy carbon)是一种典型的无序sp2碳,主要制备方法是在惰性气体或真空环境中焙烧酚醛树脂获得,主要由无序的多层石墨烯片段等构成。与其他常见的sp2碳(石墨、富勒烯和碳纳米管)不同,玻璃碳的独特之处在于结构的无序性,从而具有均匀物理性质,使其成为一种被广泛应用的碳材料。
玻璃碳具有高强度、低密度、良好的导电性、真空高温稳定性以及耐化学腐蚀等特点,这些属性使玻璃碳应用于众多领域,包括电极材料、耐腐蚀材料,特别适用于制作航天材料以及核保护材料等,在国防、航空航天、核能等领域正日益显示出其广阔的发展应用前景。力学性能则是玻璃碳被广泛应用的基础,因此,如何进一步提高玻璃碳的力学性能是目前科学家和企业家们最关心的问题之一。为了提高玻璃碳的力学性能,人们进行了大量的尝试,包括选择不同的有机前驱体和改变合成工艺,但收效甚微。美国斯坦福大学的Wendy L.Mao教授在室温条件下压缩玻璃碳到44GPa,在此过程中发现了压力诱导sp2向sp3成键的连续变化,然而在卸压后却发生了可逆转变,未能保存下来。

技术实现要素:
本发明的目的是提供一种新型玻璃碳的制备方法,旨在通过简单工艺,低成本投入,可工业化的方法生产出力学性能更加优异的大块玻璃碳,所制得的玻璃碳具有高硬度、高强度、高弹性恢复率等优良性能。
本发明所提供的技术方案如下:一种新型玻璃碳的制备方法,其特征在于,其包括如下步骤:
(1)将玻璃碳块体加工成预定尺寸圆柱状预制坯体;
(2)将步骤(1)中的预制坯体放入氮化硼坩埚中,随后装入石墨管加热体中,然后再一起封装进叶蜡石合成腔体中制成组装块,将组装块进行干燥;
(3)将步骤(2)中干燥后的组装块进行冷却操作,随后进行高温高压操作:合成压力1-6GPa、温度25-2000℃,保温15-120分钟;然后再次冷却操作后执行卸压操作;
(4)取出组装块,得到完整的黑色不透明的新型玻璃碳块体。
进一步的技术方案在于,步骤(2)中的干燥操作温度为180℃。
进一步的技术方案在于,步骤(2)中的干燥操作是在干燥箱内进行。
进一步的技术方案在于,步骤(2)中的干燥操作时间为5h。
进一步的技术方案在于,步骤(3)中的两次冷却操作均为冷却至室温。
进一步的技术方案在于,步骤(3)中的高温高压操作时,最佳合成压力是5-6GPa,最佳温度为1000-1200℃,最佳保温时间为30-60分钟。
进一步的技术方案在于,步骤(3)中的高温高压操作时,采用国产CS-1B型六面顶压机。
本发明与现有技术相比具有以下优点:本发明所用原料为块体玻璃碳,而玻璃碳为市面上轻而易举可获得的普通玻璃碳,块状物可以从根本上避免不必要杂质的出现,可作为纯净无污染的原料;本发明通过高温高压改性所获得的新型玻璃碳是一种具有sp2-sp3杂化的新型亚稳碳,块体具有远高于普通陶瓷的弹性恢复率,其压痕弹性恢复率达到90%;硬度和压缩强度分别为10GPa和2.5GPa左右,约为普通玻璃碳的两倍,sp3碳含量可达10%;这种新型玻璃碳可应用在目前普通玻璃碳所应用的全部领域;本发明所采用的高温高压设备目前在国内被大量使用,其操作简单、高压合成参数易于控制,同时原料价廉易得、样品尺寸可调节,可实现产业化大批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例1、2、3、4、5得到的新型玻璃碳的X射线衍射图;
图2为本发明实施例1、2、3、4、5得到的新型玻璃碳的硬度、杨氏模量和弹性恢复率;
图3本发明实施例4到的新型玻璃碳的抗压强度图;
图4本发明实施例4到的新型玻璃碳的高分辨透射电镜图片和EELS曲线;
图5本发明实施例4到的新型玻璃碳和普通玻璃碳的TG曲线和DSC曲线;
图6为本发明实施例1、2、3、4、5得到的新型玻璃碳照片。
具体实施方式
本发明根据附图结合实施例的方式进行进一步的阐述。
本分明阐述了一种新型玻璃碳的制备方法,其包括如下步骤:
(1)将玻璃碳块体加工成预定尺寸圆柱状预制坯体;
(2)将步骤(1)中的预制坯体放入氮化硼坩埚中,随后装入石墨管加热体中,然后再一起封装进叶蜡石合成腔体中制成组装块,将组装块进行干燥;
(3)将步骤(2)中干燥后的组装块进行冷却操作,随后进行高温高压操作:合成压力1-6GPa、温度25-2000℃,保温15-120分钟;然后再次冷却操作后执行卸压操作;
(4)取出组装块,得到完整的黑色不透明的新型玻璃碳块体。
本发明优选实施例中,步骤(2)中的干燥操作温度为180℃。
本发明优选实施例中,步骤(2)中的干燥操作是在干燥箱内进行。
本发明优选实施例中,步骤(2)中的干燥操作时间为5h。
本发明优选实施例中,步骤(3)中的两次冷却操作均为冷却至室温。
本发明优选实施例中,步骤(3)中的高温高压操作时,合成压力是5-6GPa,温度为1000-1200℃,保温30-60分钟。
本发明优选实施例中,步骤(3)中的高温高压操作时,采用国产CS-1B型六面顶压机。
实施例1
将阿法埃莎化学有限公司生产的普通棒状玻璃碳(Glass carbon)加工成直径1-10mm的圆柱状坯体。利用X射线衍射仪(Rigaku D/max-2500/PC)对其进行分析,如图1所示,可以看普通玻璃碳衍射峰较宽,是一种无定形碳。使用金刚石研磨膏将该样品两面抛光,使用纳米压痕仪(Nano Indenter G200)对样品进行测试,得到样品的硬度为4.2GPa、杨氏模量为29GPa、弹性恢复率为87%,测试结果如图2所示。微型压缩拉伸机测得普通玻璃碳的抗压强度为1.5GPa,测试结果如图3所示。
实施例2
将实施例1制得的坯体放入六方氮化硼(hBN)坩埚中,将装有坯体的氮化硼管装入石墨加热体,然后放入叶蜡石合成腔体中,将组装块放入高压高温合成装置,合成压为1GPa,温度范围为25-2000℃,保压保温60分钟,停止加热后样品自然冷却至室温后卸压,得到新型玻璃碳材料。使用金刚石研磨膏将该条件下制备的样品两面抛光,使用纳米压痕仪(Nano Indenter G200)对样品进行测试,得到样品的硬度范围在4.8-6.2GPa、杨氏模量范围在38-48GPa、弹性恢复率在87-90%。
利用X射线衍射仪(Rigaku D/max-2500/PC)对样品进行分析,如图1所示。使用称量法测得该条件下制备的样品密度为1.65-2.24g/cm3。
实施例3
采用与实施例2相同的组装与原材料进行高温高压实验,合成压力为3GPa,温度范围为25-2000℃,保压保温60分钟,停止加热后样品自然冷却至室温后卸压,得到新型玻璃碳材料。
利用X射线衍射仪(Rigaku D/max-2500/PC)对样品进行分析,如图1所示,从玻璃碳原料较宽的衍射峰可以看出它的无序性。使用金刚石研磨膏将该条件下制备的样品两面抛光,使用纳米压痕仪(Nano Indenter G200)对样品进行测试,得到样品的硬度范围在5-8.2GPa、杨氏模量范围在43-55GPa、弹性恢复率在86-90%,测试结果如图2所示。使用称量法测得该条件下制备的样品密度为1.52-2.31g/cm3。
实施例4
采用与实施例2相同的组装与原材料,合成压力为5GPa,合成温度为25-2000℃,保压保温60分钟,停止加热后样品自然冷却至室温后卸压,得到新型玻璃碳材料。
利用X射线衍射仪(Rigaku D/max-2500/PC)对样品进行分析,如图1所示,随着制备的温度升高,衍射峰逐渐变窄,呈现出由短程有序的非晶态到长程有序的晶态的变化趋势。
将5GPa下制备的样品使用金刚石研磨膏两面抛光,使用纳米压痕仪(Nano Indenter G200)进行测试,结果如图2所示。可以看出5GPa合成的样品,硬度范围为5-10.2GPa,弹性模量为35-61.6GPa,最高硬度约为普通玻璃碳的两倍;弹性恢复率为86-91%;使用微型压缩拉伸机测得该样品抗压强度约为~2.5GPa,是普通玻璃碳的1.6倍,测试结果如图3所示;使用称量法测得该条件下制备的样品密度为1.58-2.46g/cm3。
高分辨透射电镜(HRTEM)的实验结果表明(如图4所示),5GPa,1000℃合成的样品仍是非晶态,但有序度有所增强,这与XRD的结果一致;结合EELS曲线,计算出5GPa,1000℃和1400℃样品的sp2/sp3比值,可以看出,随着温度的升高,100%sp2成键的普通玻璃碳发生sp2-sp3转变,形成sp3和sp2键共存的亚稳相,然后开始石墨化,最后转变为石墨。
利用差示扫描量热仪(NETZSCH STA 449F5)对原料和5GPa-1000℃合成的样品进行热稳定性分析,结果如图5所示,可以看出高压合成样品在空气中的热稳定性比原料高100多摄氏度。
实施例5
采用与实施例2相同的组装与原材料进行高温高压实验,合成压力为6GPa,温度范围为25-2000℃,保压保温60分钟,停止加热后样品自然冷却至室温后卸压,得到新型玻璃碳材料。
利用X射线衍射仪(Rigaku D/max-2500/PC)对样品进行分析,如图1所示.。使用金刚石研磨膏将该条件下制备的样品两面抛光,使用纳米压痕仪(Nano Indenter G200)对样品进行测试,得到样品的压痕硬度范围在5.4-10.3GPa、杨氏模量范围在35-67GPa、弹性恢复率在86-89.5%,测试结果如图2所示。使用称量法测得该条件下制备的样品密度为1.62-2.48g/cm3。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本发明的说明书中列举了各种组分的可选材料,但是本领域技术人员应该理解:上述组分材料的列举并非限制性的,也非穷举性的,各种组分都可以用其他本发明说明书中未提到的等效材料替代,而不是为例限制本发明的范围。

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