[发明专利]一种框架结构石墨金属复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种框架结构石墨金属复合材料及其制备方法。利用软模板法，通过溶剂挥发诱导自组装，经过热处理，得到三维有序介孔的框架结构碳材料；再将金属硝酸盐溶液渗透到框架结构碳材料的孔道中，经加热分解、水洗除杂、H₂还原得到含有金属触媒原子的框架结构碳材料；之后石墨化处理并快速冷却，即得到框架结构石墨金属复合材料。本发明的框架结构石墨金属复合材料孔道粗糙比表面积大，金属原子与石墨在纳米层级接触，便于扩散，加快熔融共渗；孔道内附着有球状石墨，缩短石墨再结晶时间，提高生长速度，进而缩短熔融共渗时间。本发明既能缩短工艺时间提高合成效率，又能提高金属触媒催化性能和石墨利用率，节约超硬材料合成成本。

技术领域

本发明属于超硬材料石墨芯柱合成技术领域，具体涉及一种框架结构石墨金属复合材料及其制备方法。

背景技术

传统超硬材料合成过程中，石墨和金属触媒原料为预制粉体，在高温高压条件下，金属与石墨相互渗透，当渗透达到一定程度，石墨进行再结晶形成球状石墨，在金属合金触媒催化作用下，晶体开始成核生长。由于石墨与金属触媒粉体颗粒大、比表面积小，造成石墨粉体和金属触媒粉体接触不充分，需要较长的熔融共渗时间，熔融共渗效果差，而且机械混料的均匀程度差，导致合成效率低效果差。

专利CN101891187A公开软模板法合成石墨化有序介孔碳材料的方法，其采用一步热处理的方法虽然简化了步骤，但其碳化加热时间长，未考虑不同热处理对于孔道内部结构的影响，得到的石墨化有序介孔碳材料中金属原子同孔道内壁接触不紧密，无法作为石墨芯柱材料使用。

发明内容

针对现有技术中石墨与金属触媒粉因粉体颗粒大比表面积小而接触不充分，进而需要较长的熔融共渗时间，合成超硬材料效率较低的问题，本发明目的在于提供了一种石墨芯柱材料及其制备方法，该三维框架结构石墨芯柱材料可以有效提高触媒催化特性，降低熔融共渗时间，提高生产中人造金刚石合成效率。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种框架结构石墨金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）使用聚氧丙烯-聚氧乙烯-聚氧丙烯三嵌段（简称为PEO-PPO-PEO）共聚物（EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆，F127，德国巴斯夫生产），利用软模板法在共聚物孔道中填充可溶性酚醛树脂（2130酚醛树脂、西安树脂厂生产），在160℃~200℃通过溶剂挥发诱导自组装（EISA），形成溶胶凝胶，之后经过60s~80s加热至800℃~850℃保温120s~150s后自然冷却至室温，将酚醛树脂共聚物转化为三维有序介孔的框架结构碳材料；

（2）配制金属硝酸盐溶液，将金属硝酸盐溶液在室温常压下渗透60min~80min到步骤（1）形成的框架结构碳材料中，经过加热分解，水洗除杂，H₂还原处理，得到含有金属原子的框架结构碳材料；

（3）对步骤（2）所得的含有金属原子的框架结构碳材料在N₂氛围下石墨化处理，即加热至1200℃~1400℃保温140min~160min，经100s~150s快速冷却至室温，得到孔道中金属原子和球状石墨均匀混合的框架结构石墨金属复合材料。

进一步地，所述金属硝酸盐溶液为硝酸铁和硝酸镍的混合溶液。

进一步地，所述金属硝酸盐溶液混合前，硝酸铁溶液的浓度为2.1~2.3mol/L，硝酸镍溶液的浓度为2.5~2.7mol/L，Fe与Ni的摩尔比为1:1.2。

进一步地，所述步骤（2）中金属硝酸盐溶液与框架结构碳材料的体积质量比为1L：110g（即每1L金属硝酸盐溶液需要渗透到110g框架结构碳材料中）。

进一步地，所述步骤（2）中加热分解的温度和时间为440℃~460℃保温100min~120min。