石墨的主要性能特點及應用簡介

發布時間:2018-05-16 11:30:30   人瀏覽 來源: 橡膠技術網

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  石墨名字來源于希臘文“graphein”, 意為“用來寫”。由德國化學家和礦物學家A. G. Werner 于1789命名。 石墨是元素碳的一種同素異形體,每個碳原子的周邊連結著另外三個碳原子(排列方式呈蜂巢式的多個六邊形)以共價鍵結合,構成共價分子。石墨是碳質元素結晶 礦物,它的結晶格架為六邊形層狀結構。每一網層間的距離為340pm,同一網層中碳原子的間距為142pm;。屬六方晶系,具完整的層狀解理。解理面以分 子鍵為主,對分子吸引力較弱,故其天然可浮性很好。由于每個碳原子均會放出一個電子,那些電子能夠自由移動,因此石墨屬于導電體。 需要提及的是,石墨與金剛石、碳60、碳納米管等都是碳元素的單質,它們互為同素異形體。

石墨主要性能特點

  1、耐高溫性:石墨的熔點為3850±50℃,沸點為4250℃,即使經超高溫電弧灼燒,重量的損失很小,熱膨脹系數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強,在2000℃時,石墨強度提高一倍。

  2、導電、導熱性:石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱系數隨溫度升高而降低,甚至在極高的溫度下,石墨成絕熱體。石墨能夠導電是因為石墨中每個碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵,每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。

  3、潤滑性:石墨的潤滑性能取決于石墨鱗片的大小,鱗片越大,摩擦系數越小,潤滑性能越好。

  4、化學穩定性:石墨在常溫下有良好的化學穩定性,能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕。

  5、可塑性:石墨的韌性好,可碾成很薄的薄片。

  6、抗熱震性:石墨在常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞,溫度突變時,石墨的體積變化不大,不會產生裂紋。

石墨優點

  (1)加工速度更快:通常情況下,石墨的機械加工速度能比銅快2~5倍;而放電加工速度比銅快2~3倍 材料更不容易變形:在薄筋電極的加工上優勢明顯;銅的軟化點在1000度左右,容易因受熱而產生變形;石墨的升華溫度為3650度;熱膨脹系數僅有銅的1/30。

  (2)重量更輕:石墨的密度只有銅的1/5,大型電極進行放電加工時,能有效降低機床(EDM)的負擔;更適合于在大型模具上的應用。

  (3)放電消耗更小;由于火花油中也含有C原子,在放電加工時,高溫導致火花油中的C原子被分解出來,轉而在石墨電極的表面形成保護膜,補償了石墨電極的損耗。

  (4)沒有毛刺;銅電極在加工完成后,還需手工進行修整以去除毛刺,而石墨加工后沒有毛刺,節約了大量成本,同時更容易實現自動化生產。

  (5)石墨更容易研磨和拋光;由于石墨的切削阻力只有銅的1/5,更容易進行手工的研磨和拋光。

  (6)材料成本更低,價格更穩定;由于近幾年銅價上漲,如今各向同性石墨的價格比銅更低,相同體積下,東洋炭素的普遍性石墨產品的價格比銅的價格低30%~60%,并且價格更穩定,短期價格波動非常小。正是這種無可比擬的優勢,石墨逐漸取代銅成為EDM電極的首選材料。

石墨的主要

  1、作耐火材料:石墨及其制品具有耐高溫、高強度的性質,在冶金工業中主要用來制造石墨坩堝,在煉鋼中常用石墨作鋼錠之保護劑,冶金爐的內襯。

  石墨坩堝

  2、作導電材料:在電氣工業上用作制造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流器的正極,石墨墊圈、電話零件,電視機顯像管的涂層等。

  石墨墊圈

  3、作耐磨潤滑材料:石墨在機械工業中常作為潤滑劑。潤滑油往往不能在高速、高溫、高壓的條件下使用,而石墨耐磨材料可以在200~2000 ℃溫度中在很高的滑動速度下,不用潤滑油工作。許多輸送腐蝕介質的設備,廣泛采用石墨材料制成活塞杯,密封圈和軸承,它們運轉時勿需加入潤滑油。石墨乳也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時的良好的潤滑劑。

  石墨活塞杯、密封圈等

  4、石 墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨,具有耐腐蝕、導熱性好,滲透率低等特點,就大量用于制作熱交換器,反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻 器、加熱器、過濾器、泵設備。廣泛應用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產、合成纖維、造紙等工業部門,可節省大量的金屬材料。

  石墨材料作反應槽

  5、 作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料:由于石墨的熱膨脹系數小,而且能耐急冷急熱的變化,可作為玻璃器的鑄模,使用石墨后黑色金屬得到鑄件尺寸精確,表面光 潔成品率高,不經加工或稍作加工就可使用,因而節省了大量金屬。生產硬質合金等粉末冶金工藝,通常用石墨材料制成壓模和燒結用的瓷舟。單晶硅的晶體生長坩 堝,區域精煉容器,支架夾具,感應加熱器等的加工都離不開高純石墨。此外石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座,高溫電阻爐爐管,棒、板、格棚等元件。

  6、 用于原子能工業和國防工業:石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應堆中,鈾一石墨反應堆是應用較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材 料應當具有高熔點,穩定,耐腐蝕的性能,石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高,雜質含量不應超過幾十個PPM 。特別是其中硼含量應少于0.5PPM 。在國防工業中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴,導彈的鼻錐,宇宙航行設備的零件,隔熱材料和防射線材料。

  7、石墨還能防止鍋爐結垢,有關單位試驗表明,在水中加入一定量的石墨粉(每噸水大約用4~5 克)能防止鍋爐表面結垢。此外石墨涂在金屬煙囪、屋頂、橋梁、管道上可以防腐防銹。

  8、石墨可作鉛筆芯、顏料、拋光劑。石墨經過特殊加工以后,可以制作各種特殊材料用于有關工業部門。

  石墨作筆芯

  9、電極方面,石墨能取代銅做為電極。20 世紀60年代,銅做為電極材料被廣泛應用,使用率約占90%,石墨僅有10%左右;21世紀,越來越多的用戶開始選擇石墨作為電極材料,在歐洲,超過 90%以上的電極材料是石墨。銅,這種曾經占統治地位的電極材料,和石墨電極相比它的優勢幾乎消失殆盡。是什么導致了這個戲劇性的變化?當然是石墨電極的 諸多優勢。

  石墨電極

石墨材料的

  隨著科學技術的不斷發展,人們對石墨也開發了許多新用途。1971 年美國研究成功柔性石墨密封材料,解決了原子能閥門泄漏問題,隨后德、日、法也開始研制生產。這種產品除具有天然石墨所具有的特性外,還具有特殊的柔性和 彈性。因此,是一種理想的密封材料。廣泛用于石油化工、原子能等工業領域。國際市場需求量逐年增長。此外,石墨還是輕工業中玻璃和造紙的磨光劑和防銹劑, 是制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石、鉆石不可缺少的原料。它是一種很好的節能環保材料,美國已用它做為汽車電池。隨著現代科學技術和工業的發展, 石墨的應用領域還在不斷拓寬,已成為高科技領域中新型復合材料的重要原料,在國民經濟中具有重要的作用。


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