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Chap. 7 传统炭素材料 炭素材料简史 公元前3000年，有色金属冶炼 公元前2世纪，汉代 煤烟指制墨 公元15世纪，高炉 燃料、还原剂 公元十六世纪，明代 天然石墨+粘土——耐火坩埚 十六世纪中叶，石墨条铅笔，1804，石墨+粘土—铅笔 1810年，木炭粉+煤焦油—电池正极 1842年，炭电极替代铂电极 1855年，第一个电池炭电极工厂 19世纪70年代，炭电极 1896年艾奇逊人造石墨电极 1942年核石墨 炭素材料的基本结构与性能 炭材料的基本结构 炭素材料的性质 真密度、体积密度与堆积密度 真密度是不包括气孔和裂隙在内的单位容积实体碳的质 量，它反映出炭材料的石墨化度。如何测？ 真密度的测定方法有溶剂置换法、气体置换法和X射线衍射法，其中最常用的是溶剂置换法。 体积密度是单位体积炭材料的质量。此单位体积包括实体炭的体积和空隙体积。 堆积密度是指一定粒级的颗粒料的单位体积堆积体的质量。此单位体积堆积体内包括颗粒内实体炭的体积、颗粒内气孔与裂隙体积和颗粒之间的空隙体积。 炭素材料的性质 气孔率、比表面积及孔径分布 气孔率又称孔度，它用试样中气孔体积占试样总体积的百 分率来表示。炭材料的气孔有三种形式：封闭气孔、开口气 孔和贯通气孔。真气孔率不易测定，可用下式求得： Dt—真密度 Db—体积密度 大孔—光学显微镜，压汞法； 中孔－压汞法； 微孔－分子探针，毛细凝聚 炭素材料的性质 气体渗透率 多数炭材料都有实际可测出的气孔，当材料的两侧面存在 一定的压差时气体可以透过炭材科。气体渗透率大小，不仅 直接关系炭材料的气密性，而且还对化学稳定性等产生明显 影响。 力学性质 力学性质 炭材料的基本结构特征是： 1)晶体结构特征是多晶乱层结构； 2)宏观组织特征是含有气孔。 因此，炭材料的力学性质受到气孔率、孔径分布、 组织缺陷、晶粒尺寸、石墨化度等因素的影响，难以 从理论上预测其力学性质的具体参数，只能通过实验 测定。 力学性质 抗压强度、抗拉强度与抗折强度 各向异性 ？ 随温度变化 ？ 分布于晶粒内部的裂纹 分布于晶粒界面的裂纹 碳原子沿c轴热振动大 力学性质 力学性质 蠕变特性 弹性体的应力—应变关系在弹性极限范围内呈线性关 系，而且对交变应力是可逆的。 炭材料与弹性体不同，若外力作用时间很长，即使应力 值在弹性极限范围以内，也会发生塑性变形并产生残余变 形，即蠕变。炭(石墨)材料的蠕变具有下列特点： 蠕变的各向异性与时间效应。 蠕变的温度效应与应力效应。 力学性质 摩擦特性 石墨材料在受到摩擦力作用时表现出两个特性： 1)石墨晶体容易沿晶体层面剥离； 2)石墨对各种材料表面的附着性良好。 因此，石墨材料应用在摩擦面上时会形成一层极薄的石墨 晶体膜，它既耐磨又具有自润滑性，摩擦系数小。 另一方面，石墨的导热性好，摩擦面上产生的热能能迅速传 出，加以石墨的强度随温度上升而提高，所以滑动速度对摩 损率和摩擦系数的影响很小。 炭材料的热学性质 炭材料的热学性质 升华热高——蒸汽压低 —— 高温真空环境使用 热导率 导热机理：自由电子（或空穴）；晶格原子振动 导热率的各向异性 与石墨化度密切相关 超过峰值后，（Tm）导热率大致与绝对温度成反比 与宏观结构相关（表观密度，空穴分布） 热膨胀系数 线膨胀系数小，随石墨化程度减小（石墨400℃为负值） 明显的各向异性 炭材料的热学性质 抗热震性 抗热震性是指材料在高温下使用并且经受温度剧变而不被破 坏的性能，又称耐急冷急热性和热稳定性，是材料热学性质的 重要参数。 炼钢电炉和矿热炉用的人造石墨电报、特别是超高功率电 极，在工作时不但承受高温和径向温度梯度，而且处于温度大 幅度急剧变化之中。制作火箭喷管、喉衬部和鼻锥等航天器部 件的热解石墨要经受高温、温度急变和高速高温气流的冲刷。 在这些场合，石墨材料的优良抗热震性显得十分重要，至今尚 无其他材料可以与之媲美。？ 热应力的产生、缓解、抵抗 炭材料的电磁性质 炭材料的电磁性质 导电性与电阻率 各向异性 与石墨化度的关系 与温度的关系 2制约因素 磁性 都属于抗磁质，磁化率为负 炭材料的化学性质 炭材料的化学性质 碳是化学稳定性极好的物质，在常温和普通环境下使 用，几乎呈化学惰性。但是在某些特定条件下，也会和其它 物质发生反应，主要反应有： 在高温下与氧化性气体发生氧化反应和在强氧化性酸中发生氧化反应； 在