[发明专利]等方向性石墨材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明是有关于一种等方向性石墨材料及其制造方法，且特别是有关于一种利用中间相碳微球但不添加任何粘结剂的等方向性石墨材料及其制造方法。

背景技术

石墨材料是碳元素所构成的，藉由不同制造方法，可得到非晶系碳、石墨系碳、热分解碳及碳纤等不同特性的独特碳材。其中，等方向性石墨(isotropic graphite)材料具有耐高温、导电、导热、润滑、多孔性、可塑和抗腐蚀等性能，近来广泛应用于冶金、机械及半导体等各产业。传统的石墨制程，一般使用焦碳(coke)作为原料，与煤焦沥青(coal tar pitch)混合后，注入模内挤压，接着在非氧化的条件下加热至约1000℃，形成具有孔洞的无定型碳(amorphous carbon)。之后，再经过浸渍沥青及再烧焙，如此进行多次，以填补孔洞。随后，再利用热处理至2500℃至3000℃，使无定型碳形成高密度的石墨。

近年来储能材料的迅速发展，因此对于高密度、高强度、高纯度且加工性能好的等方向性石墨材料需求亦快速增加。然而，传统石墨制程复杂、且所得的制品质量无法满足需求。因此，近来开发出利用自烧结式(self-sintering)的中间相碳微球(mesocarbon microbeads；MCMBs)，其是不需混合、揉捏及粉碎步骤，亦不需再经过浸渍沥青及再烧结等程序来填补孔洞，即可制造高强度、高密度、高纯度的石墨碳材，不仅大幅提升了石墨机械性质，亦简化了等方向性石墨材料复杂的生产流程。上述制程与材料的相关文献可参阅相关前案，如美国专利公告号US5,525,276、US5,547,654、US5,609,800、US4,929,404，以及中国台湾专利公告号TW326027、TW379202、TW424079等，在此一并列为本文的参考文献。

然而上述石墨材料的制程仍存在以下问题。举例而言，上述制程在利用中间相碳微球形成生坯时，在后续碳化与石墨化处理时，容易释放出大量的挥发性成分，而造成后续所得的石墨碳材的表面，产生裂缝或缺陷而表面不完整的问题。其次，上述制程若需要在真空状态进行碳化处理(例如上述的中国台湾专利所载)，在量产时会造成本的大幅提升。倘若，为了避免碳化与石墨化处理时挥发性成分逸散的问题，而放慢碳化处理的升温速率，将会使得碳化处理时程更加冗长且更耗能。

综言之，已知等方向性石墨材料的制程处理时间较长且耗能，而所得的石墨材料的表面容易有裂缝、甚至破裂，进而限制其应用的范围。

因此，亟需提供一种等方向性石墨材料的制造方法，以彻底解决已知制程所得的石墨材料的表面有裂缝或缺陷，而限制其应用的范围等问题。

发明内容

因此，本发明的一个方面在于提供一种等方向性石墨材料的制造方法，其是将经或未经前处理的中间相碳微球，经冷等均压法模压成生坯后，利用多阶段碳化处理，以缩短碳化处理的时间，继而进行石墨化处理，而形成等方向性碳质材料。

其次，本发明的另一方面在于提供一种等方向性石墨材料，其是利用上述方法所制得，且所得的等方向性石墨材料的表面为完整无裂纹缺陷且具有良好的机械、热学与电学性质。

根据本发明的上述方面，提出一种等方向性石墨材料的制造方法。在一实施例中，此等方向性石墨材料的制造方法是将经或未经前处理的中间相碳微球，利用冷等均压法进行模压，以形成一生坯。接着，将生坯进行多阶段碳化与石墨化处理，而形成等方向性石墨材料。

在上述实施例中，未经前处理的中间相碳微球的平均粒径为20μm至30μm，其中前述的中间相碳微球具有甲苯不溶(toluene insoluble)成分(TI)以及喹啉不溶(quinoline insoluble)成分(QI)，且TI与QI的差值为0.1重量百分比(wt%)至2.0wt%。

在上述实施例中，前述的冷等均压法中，其是对经或未经前处理的中间相碳微球施加500kg/cm²至3000kg/cm²的压力，以形成生坯。

在制成生坯后，生坯接着于第一保护气氛的存在下，进行多阶段碳化处理，以利用多种升温速率将生坯由室温(约10℃至40℃)升温至1000℃，而形成一碳化材料，其中当生坯的温度为300℃至1000℃时，生坯的升温速率为随制程处理时间递增的单调递增函数。

在多阶段碳化处理后，接着将前述的碳化材料进行石墨化处理，藉此形成等方向性石墨材料。在一例示中，上述的等方向性石墨材料的一表面为完整且不具裂纹缺陷，该等方向性石墨材料于X轴、Y轴与Z轴的热膨胀系数的任二者的差异度为小于10%。