本發(fā)明涉及含有石墨烯的滑環(huán)以及具有該滑環(huán)的機械密封裝置。

背景技術(shù)：

石墨烯是碳在二維結(jié)構(gòu)方面的變型，其中各碳原子均被另外三個碳原子包圍。這產(chǎn)生了蜂窩狀(六邊形)圖案。此外，實質(zhì)上，具有旋轉(zhuǎn)滑環(huán)和固定滑環(huán)的機械密封件是已知的，該機械密封件使旋轉(zhuǎn)部件密封?；h(huán)的材料為碳化硅(SiC)或碳化鎢(WC)。因為這些材料兼具高等級的耐磨耗性和相對高的導熱率，所以它們特別適用于滑環(huán)。此外，DE 102011056896 A1公開了用于制造并在支承部件用的多晶碳化硅上使用石墨烯的方法。在這種情況下，將石墨烯涂到碳化硅的表面，以便建立具有非常低的摩擦的表面。

在已經(jīng)對碳化硅表面進行拋光之后，使用流動氬執(zhí)行退火處理。實質(zhì)上，已經(jīng)證明由碳化硅構(gòu)成的已知滑環(huán)是成功的。然而，出于機器轉(zhuǎn)速和溫度方面不斷增長的需求的原因，還期望獲得滑環(huán)使用壽命的增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于提供滑環(huán)和機械密封裝置，其在具有簡單結(jié)構(gòu)和能夠簡單且成本效益好地制得的同時，具有改善了的熱性能和更長的使用壽命。

該目的通過具有方案1的特征的滑環(huán)和具有方案16的特征的機械密封裝置來實現(xiàn)。從屬方案說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。

根據(jù)本發(fā)明的具有方案1的特征的滑環(huán)由包括滑環(huán)材料(基材)和含有石墨烯的材料的材料制得。含有石墨烯的材料與滑環(huán)材料形成復合材料，其中滑環(huán)材料與含有石墨烯的材料混合。因此，通過將含有石墨烯的材料引入用于滑環(huán)的材料，能夠獲得改善了的導熱率和改善了的導電率。此外，獲得了改善了的機械性能，特別地，能夠明顯提高斷裂韌性。借助于含有石墨烯的材料使在運行期間在陶瓷材料滑環(huán)的情況下出現(xiàn)的裂紋的生長得以改善2至3個因數(shù)(factor)，即相應地延緩了裂紋的生長?；h(huán)中的含有石墨烯的材料的二維結(jié)構(gòu)使裂紋轉(zhuǎn)向、支化或橋接成為可能。特別地，這能夠明顯改善滑環(huán)的使用壽命。

優(yōu)選地，含有石墨烯的材料為如下形式的石墨烯：純石墨烯，和/或氧化石墨烯，和/或在技術(shù)上被還原的氧化石墨烯(TRGO(technically reduced graphene oxide))，和/或功能石墨烯(吸附有其它分子或其它原子的石墨烯)。

優(yōu)選地，滑環(huán)由陶瓷材料和含有石墨烯的材料制得。

還優(yōu)選地，陶瓷材料和含有石墨烯的材料混合在復合材料中。

在特別優(yōu)選的方式中，滑環(huán)僅由兩種材料、即一種陶瓷材料和含有石墨烯的材料制得。在特別優(yōu)選的方式中，陶瓷材料為SiC或WC或氮化硅(Si₃N₄)。

在特別優(yōu)選的方式中，在滑環(huán)中，均勻地分布陶瓷材料和含有石墨烯的材料。這意味著，整個滑環(huán)中到處具有相等的機械性能、熱性能和電性能。

在特別優(yōu)選的方式中，滑環(huán)為燒結(jié)部件。優(yōu)選地，在這種情況下，使陶瓷材料首先以粉末形式與含有石墨烯的材料混合并例如借助于加壓步驟使其變成期望的形式。可選地，在這種情況下可以使用粘接劑。

在特別優(yōu)選的方式中，提供如下的滑環(huán)的材料：含有石墨烯的材料占滑環(huán)的總重量的重量比例在0.1重量％至10重量％的范圍內(nèi)，特別地，含有石墨烯的材料占滑環(huán)的總重量的重量比例在1重量％至5重量％的范圍內(nèi)。

還優(yōu)選地，選擇陶瓷材料中的石墨烯的比例，使得滑環(huán)具有0.1Ωm至10Ωm范圍內(nèi)的電阻率，特別地，使得滑環(huán)具有0.3Ωm至0.8Ωm范圍內(nèi)的電阻率。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，含有石墨烯的材料以石墨烯部分的形式這樣配置在滑環(huán)的材料中：各石墨烯部分均具有彼此緊挨著平行地配置的多層單獨的石墨烯層。優(yōu)選地，彼此緊挨著平行地配置的石墨烯層的數(shù)量為在100層至1000層的范圍內(nèi)。復合材料中的石墨烯層的數(shù)量在石墨烯部分與石墨烯部分之間可以不同。

還優(yōu)選地，石墨烯以單獨的石墨烯組分被陶瓷材料完全包圍的方式配置在滑環(huán)的材料中。結(jié)果，存在于材料中的石墨烯組分與相鄰的石墨烯組分不直接接觸。石墨烯組分可以為單獨的石墨烯層或由多層石墨烯層構(gòu)成的石墨烯部分。

優(yōu)選地，含有石墨烯的材料以如下方式設(shè)置在滑環(huán)的材料中：含有石墨烯的材料提供從滑環(huán)的滑動側(cè)穿過滑環(huán)至少延伸到滑環(huán)的后側(cè)的連續(xù)連接部分。這能夠確保從滑環(huán)的滑動側(cè)到外側(cè)的特別有效的導熱以及特別有效的導電?；h(huán)的外側(cè)可以為徑向上的內(nèi)側(cè)或外側(cè)或者后側(cè)。在特別優(yōu)選的方式中，滑環(huán)的材料具有設(shè)置在該材料中的石墨烯網(wǎng)，該石墨烯網(wǎng)由彼此接觸的單獨的石墨烯組分形成。

還優(yōu)選地，滑環(huán)在滑動面上具有金剛石涂層。結(jié)果，滑環(huán)具有特別有效的耐磨損性。

本發(fā)明還涉及具有旋轉(zhuǎn)滑環(huán)和固定滑環(huán)的機械密封裝置，其中這些滑環(huán)中的至少一者包括含有石墨烯的材料。優(yōu)選地，機械密封裝置的滑環(huán)均由含有石墨烯的材料制得。更優(yōu)選地，滑環(huán)不具有涂層或可選地具有金剛石涂層。

附圖說明

以下將參照附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選示例性實施方式。在各圖中用相似的附圖標記表示相似或在功能上等同的部件。在圖中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實施方式的具有根據(jù)本發(fā)明的滑環(huán)的機械密封件的示意性截面圖；

圖2示出圖1中的滑環(huán)的示意性截面圖；和

圖3示出延伸穿過滑環(huán)的裂紋的示意圖，和

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施方式的滑環(huán)的示意性截面圖。

具體實施方式

圖1示意性地示出了具有旋轉(zhuǎn)滑環(huán)2和固定滑環(huán)3的機械密封裝置1。以已知的方式在兩滑環(huán)2、3之間限定有密封間隙4。旋轉(zhuǎn)滑環(huán)2經(jīng)由帶動元件(entrainment element)9與例如軸套等的旋轉(zhuǎn)部件10連接。附圖標記12和13表示O形環(huán)。固定滑環(huán)3與諸如殼體等的固定部件11連接。

機械密封裝置1使產(chǎn)品區(qū)域20密封、不受大氣區(qū)域21影響。

圖2詳細地示出了固定滑環(huán)3。固定滑環(huán)2由包括陶瓷材料5和含有石墨烯的材料6的復合材料制得。含有石墨烯的材料6均勻地分布在滑環(huán)的復合材料中。含有石墨烯的材料可以為純石墨烯和/或氧化石墨烯和/或在技術(shù)上被還原的氧化石墨烯和/或吸附有至少一種其它化學分子的功能石墨烯，或者可以為前述材料的任意組合。

如圖2詳細所示的，含有石墨烯的材料6以多個石墨烯部分的形式配置在陶瓷材料5中。石墨烯部分均包括彼此平行配置的多層石墨烯層。每個石墨烯部分中的石墨烯層的數(shù)量在100至1000之間。單獨的石墨烯部分可以在復合材料內(nèi)彼此接觸，或可以被陶瓷材料5的晶體以使相鄰的石墨烯部分不接觸的方式完全包圍。優(yōu)選地，陶瓷材料為SiC。

本示例性實施方式的固定滑環(huán)3為燒結(jié)部件，其中，為了制造滑環(huán)，在第一步驟中使陶瓷粉末與含有石墨烯的材料混合，從而提供燒結(jié)粉末。在這種情況下，混入的含有石墨烯的材料在占燒結(jié)粉末的總重量的0.1重量％至10重量％、特別是1重量％至5重量％的范圍內(nèi)。在下一步驟中，通過隨后被燒結(jié)的燒結(jié)粉末混合物形成坯體。

向陶瓷燒結(jié)材料混入含有石墨烯的材料出乎意料地制得了由復合材料構(gòu)成的滑環(huán)，該滑環(huán)在維持滑環(huán)的強度的同時還提供了意料之外的優(yōu)點。除了明顯改善了低至0.1Ωm的特別低的電阻率以外，還顯著地改善了滑環(huán)的材料的斷裂韌性。

在由諸如SiC等的陶瓷材料構(gòu)成的典型滑環(huán)的情況下，在一定運行周期之后可能會出現(xiàn)裂紋，并且裂紋往往從滑動面開始延伸穿過整個滑環(huán)。在根據(jù)本發(fā)明的具有石墨烯成分的滑環(huán)的情況下，基本上能夠避免這樣的損壞。已經(jīng)證明如下情況：石墨烯部分防止裂紋8的裂紋生長穿過整個部件。裂紋典型地出現(xiàn)在大致垂直于滑環(huán)的滑動面的方向上，然后沿軸線方向X-X延伸穿過整個滑環(huán)。由多層相互平行的單獨的石墨烯層構(gòu)成的石墨烯部分明顯地延緩了裂紋發(fā)展速率。如果裂紋8侵入由多層石墨烯層構(gòu)成的石墨烯部分，石墨烯層不會同時全部裂開，而是單獨地裂開。結(jié)果，明顯減小了裂紋8穿過部件的擴展速度。因此，根據(jù)本發(fā)明的滑環(huán)具有比傳統(tǒng)滑環(huán)顯著長的使用壽命。圖3示意性地示出了裂紋形成。

在由純SiC構(gòu)成的滑環(huán)的情況下，裂紋將會在極短的時間量內(nèi)沿著陶瓷材料的晶界行進穿過整個部件。

在圖2中還顯而易見的是，一些石墨烯部分以其至少部分地暴露于滑動面30的表面的方式配置在滑環(huán)中。這提供了減小摩擦系數(shù)的額外優(yōu)點，特別是在機械密封裝置的干運行情況下。在這種情況下，在干運行期間，石墨烯部分中的小片段可能會斷裂并形成一種潤滑劑。因此，還能夠獲得這種機械密封裝置的改善了的干運轉(zhuǎn)性能。在特別優(yōu)選的方式中，固定滑環(huán)3和旋轉(zhuǎn)滑環(huán)2由根據(jù)本發(fā)明的包括陶瓷材料5和含有石墨烯的材料6的材料制得。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施方式的滑環(huán)3。與第一示例性實施方式相比，第二示例性實施方式包括如下含有石墨烯的材料6的配置：單獨的石墨烯部分形成從滑動面30穿過滑環(huán)到達滑環(huán)的后側(cè)31并進一步到達滑環(huán)的外側(cè)的連續(xù)連接部分。通過示例方式，圖4還示出了到達徑向外側(cè)32的石墨烯的連續(xù)連接部分。相鄰的石墨烯部分彼此接觸并相對于彼此各自以不同角度配置。在特別優(yōu)選的方式中，從滑動面30到后側(cè)31或外側(cè)的連續(xù)連接部分形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)7。因此，通過各種石墨烯部分制得多個直接連接通路，其中石墨烯部分從滑動面30到達后側(cè)31或進一步到達外側(cè)、以網(wǎng)的方式配置。因此，特別地，能夠明顯改善滑環(huán)3的導電率。其原因在于如下事實：石墨烯具有比例如SiC的陶瓷材料顯著高的導電率。改善了的導電率能夠?qū)ｉT與穿過滑環(huán)的電流電路協(xié)同使用，或者還能夠用于減少滑動面30上的靜電荷。

附圖標記說明

1 機械密封裝置

2 旋轉(zhuǎn)滑環(huán)

3 固定滑環(huán)

4 密封間隙

5 陶瓷材料

6 含有石墨烯的材料

7 石墨烯網(wǎng)

8 裂紋

9 帶動元件

10 旋轉(zhuǎn)部件

11 殼體

12、13 密封環(huán)

20 產(chǎn)品區(qū)域

21 大氣區(qū)域

30 滑動面

31 后側(cè)

X-X 軸線方向