Способ получения углеродного материала

 

Использование: в области композиционных материалов на основе алмазов. Сущность изобретения: углеродный материал изготавливают путем предварительного формования заготовки с пористостью 50 - 80 об.% из алмазного порошка с размером частиц не более 10 нм и последующей термообработки в среде углеводородов при температуре выше температуры их разложения до увеличения массы заготовки не более чем на 50 мас.%. Формование заготовки из порошка алмаза осуществляют прессованием, шликерным литьем или нанесением на поверхность термостойкой подложки из шликера с концентрацией алмазов 3 - 40 мас.%. Способ обеспечивает получение углеродного материала с высокой (в 2 - 10 раз больше прототипа) адсорбционной активностью и высокой (в 2 - 10 раз больше прототипа) емкостью двойного электрического слоя в растворах электролита. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области композиционных материалов.

Известен способ получения углеродного материала, который авторы выбрали в качестве прототипа. Способ состоит в формировании заготовки материала методом прессования из алмазного порошка с размером частиц не более 10 нм и последующей термообработке в среде углеводородов при температурах выше температуры их разложения до увеличения массы заготовки более чем 50% масс. В ходе термообработки зерна алмаза связываются углеродной матрицей, образующейся из углеводородов, в единый углеродный материал. Полученный материал обладает невысокими физико-механическими свойствами.

Недостатками известного способа являются малый объем открытых пор получаемого материала и низкие величины удельной поверхности материала, что обусловливает низкие уровни адсорбционных и ионообменных свойств.

Целью изобретения является обеспечение высокой адсорбционной емкости материала в газовых и жидких средах, высокой емкости двойного электрического слоя в растворах электролитов.

Поставленная цель достигается тем, что заготовку материала формуют с пористостью 50 80 об. а обработку углеводородом ведут до увеличения массы не более 50 мас. Формование заготовки из порошка алмаза осуществляют прессованием, шликерным литьем или нанесением на поверхность термостойкой подложки из алмазного шликера с концентрацией 3 40 мас. Формование заготовки с пористостью менее 50 об. нецелесообразно, т.к. при этом возникают технические трудности формования столь дисперсного материала в плотную заготовку. Формование заготовки материала с пористостью выше 80 об. не обеспечивает требуемой прочности материала. Обработка углеводородами до увеличения массы более 50 мас. не обеспечивает высокой сорбционной емкости материала. Использование алмазного шликера с концентрацией менее 3 мас. затрудняет формование заготовок, а шликеры с концентрацией более 40 мас. слишком концентрированы для формования из них однородных заготовок.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Из исходного алмаза с размером частиц менее 10 нм формируют заготовку материала. Формирование осуществляют прессованием (при необходимости используют временное связующее), шликерным литьем в форму или на поверхности термостойкой подложки. 0при шликерном литье используют водные или неводные шликера с концентрацией алмаза 3 40 мас. Сформованную заготовку помещают в реактор и термообрабатывают в среде газообразного углеводорода или смеси углеводородов при температурах выше температуры их разложения. При этом на всей доступной для газообразного реагента поверхности протекает химическая реакция образования углерода, связывающего частицы исходного порошка алмаза в единый композиционный материал. Процесс термообработки осуществляют в течение времени, необходимого для достижения требуемого количества синтезированной углеродной связки в материале, которое не должно превышать 50% от массы заготовки из алмазного порошка. За счет выполненных действий в заготовке формируется специфическая пористая структура с высокой активностью поверхности, что обуславливает высокие адсорбционные и ионообменные свойства.

Пример 1. Из порошка алмаза с размером частиц не менее 10 нм (ультрадисперсный алмаз) формуют заготовку материала d 20 мм, h 1 мм) с пористостью 50% методом прессования. Полученную заготовку помещают в реактор и обрабатывают смесью углеводородов природным газом при температуре выше температуры его разложения. После выдержки в течение времени, необходимого для увеличения массы заготовки на 20 мас. образец извлекают из реактора. Основные свойства материала: пористость 33 об. размер пор 4 нм, удельная поверхность 200 кв.м/куб.см. Материал обладает статической сорбционной емкостью по парам бензола 0,3 куб.см/куб.см.

Примеры 2 6 выполняют аналогично, особенности представлены в таблице.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с известным обеспечивает получение углеродного материала с высокой (в 2 10 раз больше прототипа) адсорбционной активностью и высокой (в 2 10 раз больше прототипа) емкостью двойного электрического слоя в растворах электролита.

Обладая высокой адсорбционной емкостью, электропроводностью и высокоактивной внутренней поверхностью, полученный по предлагаемому способу углеродный материал может быть использован, например, в следующих качествах: как эффективный сорбционный материал с объемом сорбционного пространства до 0,6 куб.см/куб.см и размером пор несколько нанометров, что важно при адсорбции крупных молекул, как активный адсорбент ионов тяжелых металлов (включая платину, палладий и др.) из растворов: в том числе с низкой концентрацией, -в качестве мембраны для очистки биологических продуктов, а также крови, электропроводность материала позволяет, накладывая на него электрический потенциал, регулировать процессы адсорбции и десорбции, высокая внутренняя удельная поверхность материала позволяет использовать его в качестве электродов конденсаторов с двойным электрическим слоем, материал может быть использован как согласованная по термическому расширению подложка для синтеза алмазных пленок, при этом использованные для получения материала алмазные зерна выполняют роль затравок, материал перспективен для синтеза на его основе крупных алмазных кристаллов или алмазной керамики в условиях высоких статических или динамических давлений.

Формула изобретения

1. Способ получения углеродного материала, включающий формование заготовки из алмазного порошка с размером частиц не более 10 нм и последующую термообработку в среде газообразного углеводорода или смеси углеводородов при температуре выше температуры их разложения, отличающийся тем, что заготовку материала формуют с пористостью 50 80 об. а обработку углеводородом ведут до увеличения массы заготовки не более 50 мас.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование заготовки из порошка алмаза осуществляют прессованием, шликерным литьем или нанесением на поверхность термостойкой подложки алмазного шликера с концентрацией алмаза в шликере 3 40 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1