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碳素材料的应用及发展趋势

炭素是以高纯度优质无烟煤，经过深加工改变煤的一些性质得出的，原子C，炭素

制品按产品用途分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类等等。

俗称炭砖或电炉块，主要用于冶金行业：有色金属和无色金属的冶炼以及电石、磷化工

企业！炭块按用途可分为高炉炭块、铝用炭块、电炉块等。炭素制品按加工深度高低可

分为炭制品、石墨制品、炭纤维和石墨纤维等炭素制品按原料和生产工艺不同，可分为

石墨制品、炭制品、炭素纤维、特种石墨制品等。炭素制品按其所含灰分大小，又可分

为多灰制品和少灰制品（含灰分低于l％）。

炭素新材料是指用于高技术领域的碳和石墨材料，主要用于航空、航天、核能、

风能、硬质材料制造、电子、医疗、建筑、环保等行业。因此21世纪被称为“碳世纪”。

目前已经形成规模应用的炭素新材料主要有各种特种石墨、碳纤维、碳复合材料等。

1导电材料

用电弧炉或矿热电炉冶炼各种合金钢、铁合金或生产电石（碳化钙）、黄磷时，强

大的电流通过炭电极（或连续自焙电极-即电极糊）或石墨化电极导入电炉的熔炼区产

生电弧，使电能转化成热能，温度升高到2000℃左右，从而达到冶炼或反应的要求。金

属镁、铝、钠一般用熔盐电解制取，这时电解槽的阳极导电材料都是采用石墨化电极或

连续自焙电极（阳极糊、有时用预焙阳极）。熔盐电解的温度一般在1000℃以下。生产

烧碱（氢氧化钠）和氯气的食盐溶液电解槽的阳极导电材料，一般都用石墨化阳极。生

产金刚砂（碳化硅）使用的电阻炉的炉头导电材料，也使用石墨化电极。

除上述用途外，炭和石墨制品作为导电材料广泛用于电机制造工业作为滑环和电

刷，以及用作干电池中的炭棒或产生弧光用的弧光炭棒，水银整流器中的阳极等。

2耐火材料

由于炭素制品能耐高温和有较好的高温强度及耐腐蚀性，所以很多冶金炉内衬可用

炭块砌筑，如高炉的炉底、炉缸和炉腹，铁合金炉和电石炉的内衬，铝电解槽的底部及

侧部。许多贵重金属和稀有金属冶炼用的坩埚、熔化石英玻璃等所用的石墨坩埚，也都

是用石墨化坯料加工制成的。

3耐腐蚀的结构材料

经过有机树脂或无机树脂浸渍过的石墨材料，具有耐腐蚀性好、导热性好、渗透率

低等特点，这种浸渍石墨又称为不透性石墨。它大量应用于制作各种热交换器、反应槽、

凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵等设备，广泛应用于石油炼制、

石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维，造纸等工业部门，可节省大量的不锈钢等

金属材料。

4耐磨和润滑材料

炭素材料除具有化学稳定性高的特性外，还有较好的润滑性能。在高速、高温、高

压的条件下，用润滑油来改善滑动部件的耐磨性往往是不可能的。石墨耐磨材料可以在

-200℃到2000℃温度下的腐蚀性介质中并在很高的滑动速度下（可达100m/s）不用润

滑油而工作。因此，许多输送腐蚀性介质的压缩机和泵广泛采用石墨材料制成的活塞环、

密封圈和轴承。它们运转时无需加入润滑剂。这种耐磨材料是用普通的炭或石墨材料经

过有机树脂或液态金属材料浸渍而成。石墨乳剂也是许多金属加工（拔丝、拉管等）的

良好润滑剂。

5高温冶金及超纯材料生产用的结构材料

如生产单晶硅用的晶体生长坩埚、区域精炼容器、支架、夹具、感应加热器等，都

是用高纯度石墨材料加工而成的。用于真空冶炼中的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉

管、棒、板、格栅等元件，也是用石墨材料加工制成的。

6铸模、压模材料

炭素材料的热膨胀系数小，而且耐急冷急热性好，所以可以用作玻璃器皿的铸模和

黑色金属及有色金属或稀有金属的铸模。用石墨铸模得到的铸件，尺寸精确，表面光洁，

不加工即可直接使用或只要稍加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金（如

碳化钨）等粉末冶金工艺，通常用石墨材料加工压模和烧结用的舟皿。

7原子能工业及军事工业材料

石墨因为具有良好的中子减速性能，最早用于原子反应堆中作为减速材料。铀-石

墨反应堆是目前较多的一种原子反应堆。原子反应堆用的石墨材料必须具有极高的纯

度。为了降低石墨中的杂质含量，在石墨化过程中通入卤素净化气体。一些经过特殊处

理的石墨（如在石墨表面渗入耐高温的材料）及再结晶石墨、热解石墨，具有在极高温

度下较好的稳定性及较高的强度重量比。所以，它们可以用于制造固体燃料火箭的喷嘴、

导弹的鼻锥、宇宙航行设备的零部件。

除此之外，由于碳素材料具有十分突出的生物相容性和适中的机械性能，国内