【CN109573979A】一种新型玻璃碳的制备方法【专利】
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( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910073184 .7
(22)申请日 2019 .01 .25
(71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北 大街西段438号
(72)发明人 赵智胜 胡盟 张洋 刘兵 罗坤 何巨龙 于栋利 徐波 田永君
2
CN 109573979 A
说 明 书
1/4 页
一种新型玻璃碳的制备方法
技术领域 [0001] 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 [0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
CN 109573979 A
CN 109573979 A
权 利 要 求 书
1/1 页
wenku.baidu.com
1 .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。 2 .根据权利要求1所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干燥 操作温度为180℃。 3 .根据权利要求1或2所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干 燥操作是在干燥箱内进行。 4 .根据权利要求2所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干燥 操作时间为5h。 5 .根据权利要求1所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的两次 冷却操作均为冷却至室温。 6 .根据权利要求1所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，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。 7 .根据权利要求1所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的高温 高压操作时，采用国产CS-1B型六面顶压机。
(74)专利代理机构 北京挺立专利事务所(普通 合伙) 11265
代理人 刘阳
(51)Int .Cl . C01B 32/05(2017 .01)
(10)申请公布号 CN 109573979 A (43)申请公布日 2019.04.05
( 54 )发明 名称 一种新型玻璃碳的制备方法
( 57 )摘要 本发明公开了一种新型玻璃碳的制备方法，
属于无机非金属材料领域。本发明主要以普通玻 璃碳为原料 ，利 用国 产CS-1B型六面顶压机进行 高压实验。在压力为1-6GPa ，温度为25-2000℃ ， 保压保温时间为15-120分钟的实验条件下，通过 调 控 压 力 、温 度 及 保 温 时 间 三 个 因 素 之 间 的 关 系，获得了力学性能优异的新型玻璃碳材料。本 发明所制产品具有更优异的 力学性能 ，抗压强度 可达2 .5GPa、硬度可达10GPa，约为普通玻璃碳的 两倍；压痕弹性恢复率高达86-90％。本发明制备 的 新型玻璃碳材料 ，所 用原料廉价易得 ，制备工 艺简单 ，可大规模生产 ，并 在目 前所有普通玻璃 碳的应用领域都具有可观的应用前景。
发明内容 [0005] 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。 [0006] 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： [0007] (1)将玻璃碳块体加工成预定尺寸圆柱状预制坯体； [0008] (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； [0009] (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； [0010] (4)取出组装块，得到完整的黑色不透明的新型玻璃碳块体。
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910073184 .7
(22)申请日 2019 .01 .25
(71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北 大街西段438号
(72)发明人 赵智胜 胡盟 张洋 刘兵 罗坤 何巨龙 于栋利 徐波 田永君
2
CN 109573979 A
说 明 书
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一种新型玻璃碳的制备方法
技术领域 [0001] 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 [0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
CN 109573979 A
CN 109573979 A
权 利 要 求 书
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wenku.baidu.com
1 .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。 2 .根据权利要求1所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干燥 操作温度为180℃。 3 .根据权利要求1或2所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干 燥操作是在干燥箱内进行。 4 .根据权利要求2所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干燥 操作时间为5h。 5 .根据权利要求1所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的两次 冷却操作均为冷却至室温。 6 .根据权利要求1所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，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。 7 .根据权利要求1所述的一种新型玻璃碳的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的高温 高压操作时，采用国产CS-1B型六面顶压机。
(74)专利代理机构 北京挺立专利事务所(普通 合伙) 11265
代理人 刘阳
(51)Int .Cl . C01B 32/05(2017 .01)
(10)申请公布号 CN 109573979 A (43)申请公布日 2019.04.05
( 54 )发明 名称 一种新型玻璃碳的制备方法
( 57 )摘要 本发明公开了一种新型玻璃碳的制备方法，
属于无机非金属材料领域。本发明主要以普通玻 璃碳为原料 ，利 用国 产CS-1B型六面顶压机进行 高压实验。在压力为1-6GPa ，温度为25-2000℃ ， 保压保温时间为15-120分钟的实验条件下，通过 调 控 压 力 、温 度 及 保 温 时 间 三 个 因 素 之 间 的 关 系，获得了力学性能优异的新型玻璃碳材料。本 发明所制产品具有更优异的 力学性能 ，抗压强度 可达2 .5GPa、硬度可达10GPa，约为普通玻璃碳的 两倍；压痕弹性恢复率高达86-90％。本发明制备 的 新型玻璃碳材料 ，所 用原料廉价易得 ，制备工 艺简单 ，可大规模生产 ，并 在目 前所有普通玻璃 碳的应用领域都具有可观的应用前景。
发明内容 [0005] 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。 [0006] 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： [0007] (1)将玻璃碳块体加工成预定尺寸圆柱状预制坯体； [0008] (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； [0009] (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； [0010] (4)取出组装块，得到完整的黑色不透明的新型玻璃碳块体。