石墨材料的特性及應用范圍是什么?
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工石墨兩類。
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。雖然石墨歸于無機非 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,一同具有遠比金屬低的熱膨脹系數,很高的化學安穩性,這就使它在工程運用中具有重要的價值。石墨在非氧化性介質中是化學慵懶的,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,氣化溫度十分高,只是在常壓下335018初步進步變成氣體。一般材料在高溫下強度逐步降低,而石墨在2500度以內,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功能,所以石墨材料作為高溫材料有其共同的優越性。
因為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。當時,石墨材料已廣泛運用于冶金、化工、電子、電 器、機械以及核能和航空航天工業等部分,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,石墨材料可用于人工衛星天線、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運用特色:
石墨材料的化學性質安穩,因而是一種耐腐蝕材料。但在必定條件下,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℃左右也初步發生氧化反應。石墨化程度愈高,石墨的晶體結構愈完好,其反應活化能大,抗氧化功能好,在800度以內,到達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必定程度時,骨料顆粒會發生掉落。在較低的溫度下,如空氣供給滿意,炭和石墨材料則主要進行如下反應:C+O2—CO2在較高的溫度下,炭和石墨材料又初步發生如下反應:C+1/ZO2一CO赤熱的炭和石墨材料與水蒸氣約在700℃左右初步反應:C+H2O—CO+H2C+2H2O—C02+2H2赤熱的炭和石墨材料與CO的氧化反應在更高的溫度下才干進行:C+CO2—2C0炭與氣體之間反應應歸于氣固反應,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要素有關,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渙散有關。若材料的氣孔率高,特別是開氣孔率多時,氣體分子簡單渙散到材 料內部,參加反應的表面積大,氧化速度就快,當運用溫度低時,氧化反應速度不高,氣體分子有滿意的時間渙散到材料 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800度時化學反應速率快,而氣體分子向材料氣孔內渙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分配與材料種類聯系較小。石墨材料所 含雜質對氧化反應起催化作用,所以高純石墨與一般石墨的氧化性有睨顯不同。碳化物的生成在高溫下碳熔解于Fe、A1、Mo、Cr、Ni、Ti等金屬和B、si等非金屬中生成碳化物。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 固地連接在一同的,而在層間則靠較弱的范德華力結合。因而,在石墨的層間插入各種分子、原子、離子而不損壞其二 維晶,僅使層距離增大,可以制成一種石墨特有的化合物稱為石墨層間化合物,制作石墨層間化臺物通常采用天然鱗片石 墨為質料。在石墨層間化合物中已得工業上廣泛運用的是柔性石墨。柔性石墨不僅具有自潤滑性和耐高溫性,還具有柔 耐性、可饒性和緊縮回彈性,可作為精煉爐、高溫爐的絕熱材料,并廣泛用作密封材料。為了進步柔性石墨的抗氧化性 ,在柔性石墨中參加硼酸、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就初步發生氧化反應,并且跟著溫度的升高,氧化速度加快,結構因 此而遭到腐蝕、損壞、影響其高溫下的運用。所以,石墨材料的抗氧化維護問題正在遭到廣泛重視 。

