石墨材料的高溫使用性能
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作者:258kewei
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發(fā)布時間: 2020-09-01
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炭素材料是以碳元素為主的無機(jī)非金屬材料 ，其中炭材料基本上是由非石 墨質(zhì)碳組成的材料 ，而石墨材料主要是由石墨質(zhì)碳組成的材料 ，石 墨 又分 為 天然 石 墨 和人 造 石 墨 兩類
石墨材料的特性及應(yīng)用范圍
炭素材料是以碳元素為主的無機(jī)非金屬材料 ，其中炭材料基本上是由非石 墨質(zhì)碳組成的材料 ，而石墨材料主要是由石墨質(zhì)碳組成的材料 ，石 墨 又分 為 天然 石 墨 和人 造 石 墨 兩類 。
石 墨 材 料 主 要 是 由 多 晶 石 墨 構(gòu) 成 。石 墨 是以 一 種 碳 原 子 之 間 呈 六 角 形 平 面 網(wǎng) 格 的 層 狀晶 體 。 雖 然 石 墨 屬 于 無 機(jī) 非 金屬 材 料 ，但 因它具 有 良好 的 熱 電傳 導(dǎo) 性 而 被 稱 為 半 金 屬 ，石 墨具 有 比某 些 金 屬 還 要 高 的 熱 電 傳 導(dǎo) 性 ，同 時 具有遠(yuǎn) 比金屬低 的熱膨脹 系數(shù) ，很 高的化學(xué)穩(wěn)定性 ，這就 使 它在工 程應(yīng)用 中具有 重要 的價值 。石 墨 在 非 氧 化 性 介質(zhì) 中 是 化 學(xué)惰 性 的 ，具 有 很好 的耐腐 蝕性 ，除 了強(qiáng)酸和 強(qiáng)氧 化性 介質(zhì)外 ，石墨 不受其它酸 堿鹽 的腐 蝕、不與 任何有機(jī)化合物應(yīng)。
石 墨 材 料 又 是 一 種 耐 高 溫 材 料 ，在 高 溫 下石 墨 不會熔 化 ，氣化 溫度非 常高 ， 只是在 常壓下 3350 18 開始 升華 變成氣 體 。 一般 材料 在高溫 下強(qiáng)度逐 漸 降低 ，而石 墨在 2 500 'C 以內(nèi) ，它的強(qiáng) 度 隨 溫 度 升 高 而 增 加 ，在 2000℃ 以 上 ，其強(qiáng)度較常溫 強(qiáng)度增大 一倍 ，石墨材料還 具有優(yōu)異 的抗 熱 震 性 能 ，所 以 石 墨 材 料 作 為 高 溫 材 料有 其 獨 特 的 優(yōu) 越 性 。
由 于 石 墨 材 料 具 有 高 溫 強(qiáng) 度 高 、 導(dǎo) 電 傳熱 、抗 熱 震 性 、耐 腐 蝕性 、潤 滑 性 好 等 優(yōu) 點 ，它已成為 國民經(jīng) 濟(jì)發(fā)展 中不可缺 少的結(jié)構(gòu)材 料 、高溫 材 料 、 導(dǎo) 電材 料 、抗 磨 材 料 和 功 能 材 料 。當(dāng)前 ，石 墨 材 料 已 廣 泛 應(yīng) 用 于 冶 金 、化 工 、電 子 、電 器 、機(jī) 械 以 及 核 能 和 航 空 航 天 工 業(yè) 等 部 門 ，可作 電極 、電解 陽極 、鑄模和 高溫軸承 ；原子核反應(yīng) 堆 中作 為 中子減速 材料 和 核燃 料 的表 面涂 層 ；在 宇 航 領(lǐng) 域 ，石 墨 材 料 可 用 于 人 造 衛(wèi) 星天 線 、航 天 飛機(jī) 機(jī) 殼 以及 火 箭 發(fā) 電機(jī) 噴 管 喉 襯等 部 件。
石 墨 材 料 在 高溫 下 發(fā) 生 的 物 理 化 學(xué) 變 化以 及 高溫 使 用 特 點：
石 墨 材 料 的 化 學(xué) 性 質(zhì) 穩(wěn) 定 ，因此 是 一 種 耐腐蝕 材料 。 但 在一 定條件下 ，碳也會 和其他物質(zhì) 發(fā) 生 作 用 ，其 主 要 反 應(yīng) 有 ：在 高 溫 下 與 氧 化性 氣 氛或 強(qiáng) 氧 化性 酸 中發(fā) 生 氧 化 作 用 ；在 高 溫下熔 解于 金 屬 并 生 成 碳 化 物 ；生 成 石 墨 層 間化合物。
在常 溫 下 ，炭 與 各種 氣體 不 發(fā) 生化 學(xué) 反應(yīng) 在 350℃左 右 ，無 定 形 炭 即 有 睨 顯 的 氧 化反 應(yīng) ，石 墨 在 450 ℃左 右 也開 始 發(fā) 生 氧 化 反應(yīng) 。石墨 化程度 愈高 ，石 墨的 晶體 結(jié)構(gòu)愈完整 ，其 反 應(yīng)活 化 能 大 ，抗氧 化 性 能 好 ， 在 800~C 以內(nèi) ，達(dá) 到 同一氧 化速度 的溫度 ，石 墨材 料約 比炭 材 料 高 50～ 100 ℃ 在 同 一 材 料 內(nèi) ，粘 結(jié) 劑炭 有優(yōu)先氧化 的傾 向，所 以氧化反應(yīng)進(jìn) 行到一定 程 度 時 ，骨 料 顆 粒 會發(fā) 生 脫 落 。在 較 低 的 溫 度 下 ，如 空 氣 供 給 充 足 ，炭 和石 墨 材 料 則主 要 進(jìn) 行 如 下 反 應(yīng) ：C + O 2— C O 2在較 高 的 溫 度 下 ，炭 和 石 墨 材 料 又 開 始 發(fā)生 如 下 反應(yīng) ：C + 1 ／ZO 2一 C O赤 熱 的 炭 和 石 墨 材 料 與 水 蒸 氣 約 在700 ℃左 右 開 始 反 應(yīng) ：C + H 2O — C O + H 2C + 2 H 2O — C 0 2+ 2 H 2赤熱 的炭和石 墨材料與 C O 。 的氧 化反 應(yīng)在 更 高 的 溫 度下 才 能進(jìn) 行 ：C + C O 2— 2 C 0炭與 氣體之 間反應(yīng)應(yīng)屬于氣 固反 應(yīng) ，氧化反 應(yīng)速度與 當(dāng)時的反應(yīng) 面積大小 、材料 的氣孔率及 氣體壓力等 因素有 關(guān) ，其 反應(yīng)速度既取決于 表面 的化學(xué)反應(yīng)速度 ，也與氣體分子 向材 料內(nèi)擴(kuò) 散 有 關(guān) 。 若 材 料 的氣 孔 率 高 ，特 別 是 開 氣孔 率 多 時 ，氣 體分 子容 易擴(kuò)散 到材 料 內(nèi)部 ，參與 反 應(yīng) 的 表 面 積 大 ，氧 化 速 度 就 快 ， 當(dāng) 使 用 溫度低 時 ，氧 化反應(yīng) 速度 不高 ，氣 體分子有 足夠的時 間擴(kuò) 散到材料 內(nèi)部 ，這時氧化 反應(yīng)速 度與材料 的氣孔結(jié)構(gòu)及反應(yīng)活性有 關(guān) 。當(dāng)溫度 高于8 00 ~C 時 化學(xué) 反應(yīng)速率 快 ，而 氣 體分子 向材 料氣孔 內(nèi)擴(kuò)散 卻 因熱運(yùn)動而 減慢 ，氧化 反應(yīng) 只在表 面進(jìn) 行 ，氧化速率 受表面氣流速 度所支配與材料種類關(guān) 系較小 。石 墨材料所 含 雜質(zhì) 對 氧化 反 應(yīng)起 催 化作用 ，所 以高 純 石 墨 與 普 通 石 墨 的 氧 化 性有 睨顯。 差 別 。(b ) 碳 化 物 的 生 成在 高 溫 下 碳 熔 解 于 F e、A 1、M o 、C r、N i、T i等金屬 和 B 、si等非 金屬 中生成 碳化 物 。(c) 石 墨 層 間化 合 物 的 生 成石墨 的碳 原子 在其層 面 內(nèi)是通 過共 價鍵牢 固地連接在 一起 的 ，而 在層間則 靠較弱的范德 華力結(jié)合 。 因此 ，在石 墨的層 間插入 各種分子 、原子 、 離子 而 不 破 壞 其 二 維 晶 格 ，僅 使 層 間距增 大 ，可 以制成一種 石墨特 有 的化合 物稱為石墨層 間化合 物 ，制造 石墨層間化 臺物通常采用天 然鱗片石 墨為 原料 。在石墨層 間化合物 中已得 工 業(yè) 上廣 泛 應(yīng) 用 的 是 柔 性 石 墨 。柔性 石 墨不僅 具 有 自潤 滑 性 和 耐 高溫 性 ，還 具 有 柔 韌性 、可饒性 和壓縮 回彈性 ，可 作為精 煉爐、高溫爐 的絕 熱 材 料 ，并 廣泛 用 作 密 封 材 料 。 為 了提高 柔 性 石 墨 的抗 氧 化 性 ，在 柔 性 石 墨 中 加 入 硼酸 、熱固樹脂 、無機(jī)物膠體等 粘合劑 。由此可見 ，炭 素材 料在非氧化 性介 質(zhì) 中集耐 熱性 、導(dǎo) 電性于 一體 ，但在 氧 化性 占優(yōu) 勢 的環(huán) 境 中 ，溫 度 高 于 627K 就 開 始 發(fā) 生 氧 化 反應(yīng) ，并 且 隨 著 溫 度 的升 高 ，氧 化速 度 加 快 ，結(jié) 構(gòu)因 此 而 受 到腐 蝕 、破 壞 、影 響 其 高 溫 下 的使 用 。所以 ，石 墨材料的抗氧 化保護(hù) 問題 正在 受到廣泛 重 視 。
炭素材料是以碳元素為主的無機(jī)非金屬材料 ，其中炭材料基本上是由非石 墨質(zhì)碳組成的材料 ，而石墨材料主要是由石墨質(zhì)碳組成的材料 ，石 墨 又分 為 天然 石 墨 和人 造 石 墨 兩類 。
石 墨 材 料 主 要 是 由 多 晶 石 墨 構(gòu) 成 。石 墨 是以 一 種 碳 原 子 之 間 呈 六 角 形 平 面 網(wǎng) 格 的 層 狀晶 體 。 雖 然 石 墨 屬 于 無 機(jī) 非 金屬 材 料 ，但 因它具 有 良好 的 熱 電傳 導(dǎo) 性 而 被 稱 為 半 金 屬 ，石 墨具 有 比某 些 金 屬 還 要 高 的 熱 電 傳 導(dǎo) 性 ，同 時 具有遠(yuǎn) 比金屬低 的熱膨脹 系數(shù) ，很 高的化學(xué)穩(wěn)定性 ，這就 使 它在工 程應(yīng)用 中具有 重要 的價值 。石 墨 在 非 氧 化 性 介質(zhì) 中 是 化 學(xué)惰 性 的 ，具 有 很好 的耐腐 蝕性 ，除 了強(qiáng)酸和 強(qiáng)氧 化性 介質(zhì)外 ，石墨 不受其它酸 堿鹽 的腐 蝕、不與 任何有機(jī)化合物應(yīng)。
石 墨 材 料 又 是 一 種 耐 高 溫 材 料 ，在 高 溫 下石 墨 不會熔 化 ，氣化 溫度非 常高 ， 只是在 常壓下 3350 18 開始 升華 變成氣 體 。 一般 材料 在高溫 下強(qiáng)度逐 漸 降低 ，而石 墨在 2 500 'C 以內(nèi) ，它的強(qiáng) 度 隨 溫 度 升 高 而 增 加 ，在 2000℃ 以 上 ，其強(qiáng)度較常溫 強(qiáng)度增大 一倍 ，石墨材料還 具有優(yōu)異 的抗 熱 震 性 能 ，所 以 石 墨 材 料 作 為 高 溫 材 料有 其 獨 特 的 優(yōu) 越 性 。
由 于 石 墨 材 料 具 有 高 溫 強(qiáng) 度 高 、 導(dǎo) 電 傳熱 、抗 熱 震 性 、耐 腐 蝕性 、潤 滑 性 好 等 優(yōu) 點 ，它已成為 國民經(jīng) 濟(jì)發(fā)展 中不可缺 少的結(jié)構(gòu)材 料 、高溫 材 料 、 導(dǎo) 電材 料 、抗 磨 材 料 和 功 能 材 料 。當(dāng)前 ，石 墨 材 料 已 廣 泛 應(yīng) 用 于 冶 金 、化 工 、電 子 、電 器 、機(jī) 械 以 及 核 能 和 航 空 航 天 工 業(yè) 等 部 門 ，可作 電極 、電解 陽極 、鑄模和 高溫軸承 ；原子核反應(yīng) 堆 中作 為 中子減速 材料 和 核燃 料 的表 面涂 層 ；在 宇 航 領(lǐng) 域 ，石 墨 材 料 可 用 于 人 造 衛(wèi) 星天 線 、航 天 飛機(jī) 機(jī) 殼 以及 火 箭 發(fā) 電機(jī) 噴 管 喉 襯等 部 件。
石 墨 材 料 在 高溫 下 發(fā) 生 的 物 理 化 學(xué) 變 化以 及 高溫 使 用 特 點：
石 墨 材 料 的 化 學(xué) 性 質(zhì) 穩(wěn) 定 ，因此 是 一 種 耐腐蝕 材料 。 但 在一 定條件下 ，碳也會 和其他物質(zhì) 發(fā) 生 作 用 ，其 主 要 反 應(yīng) 有 ：在 高 溫 下 與 氧 化性 氣 氛或 強(qiáng) 氧 化性 酸 中發(fā) 生 氧 化 作 用 ；在 高 溫下熔 解于 金 屬 并 生 成 碳 化 物 ；生 成 石 墨 層 間化合物。
在常 溫 下 ，炭 與 各種 氣體 不 發(fā) 生化 學(xué) 反應(yīng) 在 350℃左 右 ，無 定 形 炭 即 有 睨 顯 的 氧 化反 應(yīng) ，石 墨 在 450 ℃左 右 也開 始 發(fā) 生 氧 化 反應(yīng) 。石墨 化程度 愈高 ，石 墨的 晶體 結(jié)構(gòu)愈完整 ，其 反 應(yīng)活 化 能 大 ，抗氧 化 性 能 好 ， 在 800~C 以內(nèi) ，達(dá) 到 同一氧 化速度 的溫度 ，石 墨材 料約 比炭 材 料 高 50～ 100 ℃ 在 同 一 材 料 內(nèi) ，粘 結(jié) 劑炭 有優(yōu)先氧化 的傾 向，所 以氧化反應(yīng)進(jìn) 行到一定 程 度 時 ，骨 料 顆 粒 會發(fā) 生 脫 落 。在 較 低 的 溫 度 下 ，如 空 氣 供 給 充 足 ，炭 和石 墨 材 料 則主 要 進(jìn) 行 如 下 反 應(yīng) ：C + O 2— C O 2在較 高 的 溫 度 下 ，炭 和 石 墨 材 料 又 開 始 發(fā)生 如 下 反應(yīng) ：C + 1 ／ZO 2一 C O赤 熱 的 炭 和 石 墨 材 料 與 水 蒸 氣 約 在700 ℃左 右 開 始 反 應(yīng) ：C + H 2O — C O + H 2C + 2 H 2O — C 0 2+ 2 H 2赤熱 的炭和石 墨材料與 C O 。 的氧 化反 應(yīng)在 更 高 的 溫 度下 才 能進(jìn) 行 ：C + C O 2— 2 C 0炭與 氣體之 間反應(yīng)應(yīng)屬于氣 固反 應(yīng) ，氧化反 應(yīng)速度與 當(dāng)時的反應(yīng) 面積大小 、材料 的氣孔率及 氣體壓力等 因素有 關(guān) ，其 反應(yīng)速度既取決于 表面 的化學(xué)反應(yīng)速度 ，也與氣體分子 向材 料內(nèi)擴(kuò) 散 有 關(guān) 。 若 材 料 的氣 孔 率 高 ，特 別 是 開 氣孔 率 多 時 ，氣 體分 子容 易擴(kuò)散 到材 料 內(nèi)部 ，參與 反 應(yīng) 的 表 面 積 大 ，氧 化 速 度 就 快 ， 當(dāng) 使 用 溫度低 時 ，氧 化反應(yīng) 速度 不高 ，氣 體分子有 足夠的時 間擴(kuò) 散到材料 內(nèi)部 ，這時氧化 反應(yīng)速 度與材料 的氣孔結(jié)構(gòu)及反應(yīng)活性有 關(guān) 。當(dāng)溫度 高于8 00 ~C 時 化學(xué) 反應(yīng)速率 快 ，而 氣 體分子 向材 料氣孔 內(nèi)擴(kuò)散 卻 因熱運(yùn)動而 減慢 ，氧化 反應(yīng) 只在表 面進(jìn) 行 ，氧化速率 受表面氣流速 度所支配與材料種類關(guān) 系較小 。石 墨材料所 含 雜質(zhì) 對 氧化 反 應(yīng)起 催 化作用 ，所 以高 純 石 墨 與 普 通 石 墨 的 氧 化 性有 睨顯。 差 別 。(b ) 碳 化 物 的 生 成在 高 溫 下 碳 熔 解 于 F e、A 1、M o 、C r、N i、T i等金屬 和 B 、si等非 金屬 中生成 碳化 物 。(c) 石 墨 層 間化 合 物 的 生 成石墨 的碳 原子 在其層 面 內(nèi)是通 過共 價鍵牢 固地連接在 一起 的 ，而 在層間則 靠較弱的范德 華力結(jié)合 。 因此 ，在石 墨的層 間插入 各種分子 、原子 、 離子 而 不 破 壞 其 二 維 晶 格 ，僅 使 層 間距增 大 ，可 以制成一種 石墨特 有 的化合 物稱為石墨層 間化合 物 ，制造 石墨層間化 臺物通常采用天 然鱗片石 墨為 原料 。在石墨層 間化合物 中已得 工 業(yè) 上廣 泛 應(yīng) 用 的 是 柔 性 石 墨 。柔性 石 墨不僅 具 有 自潤 滑 性 和 耐 高溫 性 ，還 具 有 柔 韌性 、可饒性 和壓縮 回彈性 ，可 作為精 煉爐、高溫爐 的絕 熱 材 料 ，并 廣泛 用 作 密 封 材 料 。 為 了提高 柔 性 石 墨 的抗 氧 化 性 ，在 柔 性 石 墨 中 加 入 硼酸 、熱固樹脂 、無機(jī)物膠體等 粘合劑 。由此可見 ，炭 素材 料在非氧化 性介 質(zhì) 中集耐 熱性 、導(dǎo) 電性于 一體 ，但在 氧 化性 占優(yōu) 勢 的環(huán) 境 中 ，溫 度 高 于 627K 就 開 始 發(fā) 生 氧 化 反應(yīng) ，并 且 隨 著 溫 度 的升 高 ，氧 化速 度 加 快 ，結(jié) 構(gòu)因 此 而 受 到腐 蝕 、破 壞 、影 響 其 高 溫 下 的使 用 。所以 ，石 墨材料的抗氧 化保護(hù) 問題 正在 受到廣泛 重 視 。
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