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      石墨材料的高溫使用性能

      2020-06-04 08:31:11??????點擊:

               石 墨 材 料 的 特 性 及 應 用 范 圍

      炭 素 材 料 是 以 碳 元 素 為 主 的 無 機 非 金 屬材料 ,其中炭材料基 本上是 由非石 墨質碳組 成的 材 料 ,而 石 墨 材 料 則 主 要 是 由石 墨質 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 成 。石 墨 是以 一 種 碳 原 子 之 間 呈 六 角 形 平 面 網 格 的 層 狀晶 體 。 雖 然 石 墨 屬 于 無 機 非 金屬 材 料 ,但 因它具 有 良好 的 熱 電傳 導 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 性 ,同 時 具有遠 比金屬低 的熱膨脹 系數 ,很 高的化學穩定性 ,這就 使 它在工 程應用 中具有 重要 的價值 。石 墨 在 非 氧 化 性 介質 中 是 化 學惰 性 的 ,具 有 很好 的耐腐 蝕性 ,除 了強酸和 強氧 化性 介質外 ,石墨 不受其它酸 堿鹽 的腐 蝕、不與 任何有機化合物應。

             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 下強度逐 漸 降低 ,而石 墨在 2 500 'C 以內 ,它的強 度 隨 溫 度 升 高 而 增 加 ,在 2000℃ 以 上 ,其強度較常溫 強度增大 一倍 ,石墨材料還 具有優異 的抗 熱 震 性 能 ,所 以 石 墨 材 料 作 為 高 溫 材 料有 其 獨 特 的 優 越 性 。

              由 于 石 墨 材 料 具 有 高 溫 強 度 高 、 導 電 傳熱 、抗 熱 震 性 、耐 腐 蝕性 、潤 滑 性 好 等 優 點 ,它已成為 國民經 濟發展 中不可缺 少的結構材 料 、高溫 材 料 、 導 電材 料 、抗 磨 材 料 和 功 能 材 料 。當前 ,石 墨 材 料 已 廣 泛 應 用 于 冶 金 、化 工 、電 子 、電 器 、機 械 以 及 核 能 和 航 空 航 天 工 業 等 部 門 ,可作 電極 、電解 陽極 、鑄模和 高溫軸承 ;原子核反應 堆 中作 為 中子減速 材料 和 核燃 料 的表 面涂 層 ;在 宇 航 領 域 ,石 墨 材 料 可 用 于 人 造 衛 星天 線 、航 天 飛機 機 殼 以及 火 箭 發 電機 噴 管 喉 襯等 部 件。

             石 墨 材 料 在 高溫 下 發 生 的 物 理 化 學 變 化以 及 高溫 使 用 特 點:

      石 墨 材 料 的 化 學 性 質 穩 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 發 生 作 用 ,其 主 要 反 應 有 :在 高 溫 下 與 氧 化性 氣 氛或 強 氧 化性 酸 中發 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 生化 學 反應 在 350℃左 右 ,無 定 形 炭 即 有 睨 顯 的 氧 化反 應 ,石 墨 在 450 ℃左 右 也開 始 發 生 氧 化 反應 。石墨 化程度 愈高 ,石 墨的 晶體 結構愈完整 ,其 反 應活 化 能 大 ,抗氧 化 性 能 好 , 在 800~C 以內 ,達 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 ,粘 結 劑炭 有優先氧化 的傾 向,所 以氧化反應進 行到一定 程 度 時 ,骨 料 顆 粒 會發 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 行 如 下 反 應 :C + O 2— C O 2在較 高 的 溫 度 下 ,炭 和 石 墨 材 料 又 開 始 發生 如 下 反應 :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 :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 應在 更 高 的 溫 度下 才 能進 行 :C + C O 2— 2 C 0炭與 氣體之 間反應應屬于氣 固反 應 ,氧化反 應速度與 當時的反應 面積大小 、材料 的氣孔率及 氣體壓力等 因素有 關 ,其 反應速度既取決于 表面 的化學反應速度 ,也與氣體分子 向材 料內擴 散 有 關 。 若 材 料 的氣 孔 率 高 ,特 別 是 開 氣孔 率 多 時 ,氣 體分 子容 易擴散 到材 料 內部 ,參與 反 應 的 表 面 積 大 ,氧 化 速 度 就 快 , 當 使 用 溫度低 時 ,氧 化反應 速度 不高 ,氣 體分子有 足夠的時 間擴 散到材料 內部 ,這時氧化 反應速 度與材料 的氣孔結構及反應活性有 關 。當溫度 高于8 00 ~C 時 化學 反應速率 快 ,而 氣 體分子 向材 料氣孔 內擴散 卻 因熱運動而 減慢 ,氧化 反應 只在表 面進 行 ,氧化速率 受表面氣流速 度所支配與材料種類關 系較小 。石 墨材料所 含 雜質 對 氧化 反 應起 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 上廣 泛 應 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 、無機物膠體等 粘合劑 。由此可見 ,炭 素材 料在非氧化 性介 質 中集耐 熱性 、導 電性于 一體 ,但在 氧 化性 占優 勢 的環 境 中 ,溫 度 高 于 627K 就 開 始 發 生 氧 化 反應 ,并 且 隨 著 溫 度 的升 高 ,氧 化速 度 加 快 ,結 構因 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 問題 正在 受到廣泛 重 視 。

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