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　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，而石墨材料則主要是由石墨質(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(shí)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(jià)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(huì)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(dú)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(diǎn)，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(diǎn)：

　　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(huì)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(shí)，骨料顆粒會(huì)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(shí)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(shí)，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(shí)，氧化反應(yīng)速度不高，氣體分子有足夠的時(shí)間擴(kuò)散到材料內(nèi)部，這時(shí)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(shí)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(dòng)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(jià)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(tái)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。