碳和石墨材料的基础与应用

admin

碳和石墨材料carbon and graphite material

　　由碳元素组成的一类非金属材料。碳元素有3种异构体：一种是无定形碳，如木炭、焦炭、炭黑等；另两种是结晶形碳，即石墨和金刚石。无定形碳经高温处理可转化为石墨。石墨在催化剂作用和高压、高温条件下又可转化为金刚石。这也是人造石墨和人造金刚石的生产方法。

碳元素的3种异构体，其原子的空间排列各不相同。石墨属六方晶系，各层面由六角形环构成，层面与层面平行,呈有序的重叠晶体结构(图1[石墨的晶体结构])；金刚石属立方晶系的四面体结构(图2 [金刚石的晶体结构])；而无定形碳虽有微晶，但没有像石墨那样的有序排列。

分类 在机械工程中经常采用的碳和石墨，按组织结构可分为碳质材料和石墨材料。碳质材料是以石油焦、沥青焦为原料。煤沥青为粘结剂，经过混捏、压制成形、加热碳化而成。石墨按来源可分为天然石墨、人造石墨(包括特种石墨)两种。天然石墨还有鳞状和土状两种形态。人造石墨是由碳质材料再经2500℃以上高温石墨化处理而成。特种石墨是用一般石墨经热压加工处理，或采用其他有机原料和特殊工艺而获得。例如以热固性树脂经特殊热处理而成的玻璃碳；以碳氢化合物在高温下分解、沉积而成的热解石墨；以鳞状天然石墨经过酸处理，然后在高温下高度膨胀而成的柔性石墨，以及以合成纤维制成的碳纤维和石墨纤维等。

　　特点和用途 金刚石坚硬耐磨，常用作磨料、切削工具和勘探钻头。碳质材料和石墨材料因具有各种不同的优良性能，已在机械、电机、冶金、化工、电子、航空、航天、火箭、原子能等技术领域中广泛应用。一般人造石墨导电性好、耐热，可用于制造电弧炉和电火花加工模具的电极；因润滑耐磨，可用于制造密封圈、刮片、高温轴承。以热固性树脂浸渗而成的不透性石墨，因耐化学腐蚀性优良，导热性好，可用于化工设备中的换热器、管道和配件。柔性石墨富于弹性，可用于制造高温密封圈、填料、垫片。

　　碳纤维、石墨纤维的强度很高，可用作以树脂、金属、陶瓷、碳等为基体的复合材料的增强材料。多孔石墨能耐高温，耐腐蚀气体和液体的侵蚀，可用作高温隔热材料和过滤材料。不含硼和稀土元素的高纯度核石墨因不吸收中子，能使中子减速而用于原子反应堆中。热解石墨由于导热异向比大，可用作火箭喷嘴的喉衬、核燃料涂层；因定向度高可用于大功率发射管的栅极。人造石墨还可用作铜、铝的压铸模和电子元件烧结模；碳砖、碳块可用作炼铁高炉、铁合金大电炉的炉衬；用玻璃碳可制作旋转密封的辅助面和激光技术中的电极等。至于天然石墨,因杂质含量大,一般只用于制造冶炼用坩埚、砂型涂料，或作为原料，经过精制，用于液体润滑剂和柔性石墨等。