石墨材料的高温使用性能

　石墨材料的特性及应用范围

　　炭素材料是以碳元素为主的无机非金属材料，其中炭材料基本上是由非石墨质碳组成的材料，而石墨材料则主要是由石墨质碳组成的材料，石墨又分为天然石墨和人造石墨两类。

　　石墨材料主要是由多晶石墨构成。石墨是以一种碳原子之间呈六角形平面网格的层状晶体。虽然石墨属于无机非金属材料，但因它具有良好的热电传导性而被称为半金属，石墨具有比某些金属还要高的热电传导性，同时具有远比金属低的热膨胀系数，很高的化学稳定性，这就使它在工程应用中具有重要的价值。石墨在非氧化性介质中是化学惰性的，具有很好的耐腐蚀性，除了强酸和强氧化性介质外，石墨不受其它酸碱盐的腐蚀、不与任何有机化合物应。

　　石墨材料又是一种耐高温材料，在高温下石墨不会熔化，气化温度非常高，只是在常压下3350 18开始升华变成气体。一般材料在高温下强度逐渐降低，而石墨在2 500'C以内，它的强度随温度升高而增加，在2000℃以上，其强度较常温强度增大一倍，石墨材料还具有优异的抗热震性能，所以石墨材料作为高温材料有其独特的优越性。

　　由于石墨材料具有高温强度高、导电传热、抗热震性、耐腐蚀性、润滑性好等优点，它已成为国民经济发展中不可缺少的结构材料、高温材料、导电材料、抗磨材料和功能材料。当前，石墨材料已广泛应用于冶金、化工、电子、电器、机械以及核能和航空航天工业等部门，可作电极、电解阳极、铸模和高温轴承；原子核反应堆中作为中子减速材料和核燃料的表面涂层；在宇航领域，石墨材料可用于人造卫星天线、航天飞机机壳以及火箭发电机喷管喉衬等部件。

　　石墨材料在高温下发生的物理化学变化以及高温使用特点：

　　石墨材料的化学性质稳定，因此是一种耐腐蚀材料。但在一定条件下，碳也会和其他物质发生作用，其主要反应有：在高温下与氧化性气氛或强氧化性酸中发生氧化作用；在高温下熔解于金属并生成碳化物；生成石墨层间化合物。

　　在常温下，炭与各种气体不发生化学反应在350℃左右，无定形炭即有睨显的氧化反应，石墨在450℃左右也开始发生氧化反应。石墨化程度愈高，石墨的晶体结构愈完整，其反应活化能大，抗氧化性能好，在800~C以内，达到同一氧化速度的温度，石墨材料约比炭材料高50～100℃在同一材料内，粘结剂炭有优先氧化的倾向，所以氧化反应进行到一定程度时，骨料颗粒会发生脱落。在较低的温度下，如空气供给充足，炭和石墨材料则主要进行如下反应：C+O 2—C O 2在较高的温度下，炭和石墨材料又开始发生如下反应：C+1／ZO 2一C O赤热的炭和石墨材料与水蒸气约在700℃左右开始反应：C+H 2O—C O+H 2C+2 H 2O—C 0 2+2 H 2赤热的炭和石墨材料与C O。的氧化反应在更高的温度下才能进行：C+C O 2—2 C 0炭与气体之间反应应属于气固反应，氧化反应速度与当时的反应面积大小、材料的气孔率及气体压力等因素有关，其反应速度既取决于表面的化学反应速度，也与气体分子向材料内扩散有关。若材料的气孔率高，特别是开气孔率多时，气体分子容易扩散到材料内部，参与反应的表面积大，氧化速度就快，当使用温度低时，氧化反应速度不高，气体分子有足够的时间扩散到材料内部，这时氧化反应速度与材料的气孔结构及反应活性有关。当温度高于8 00~C时化学反应速率快，而气体分子向材料气孔内扩散却因热运动而减慢，氧化反应只在表面进行，氧化速率受表面气流速度所支配与材料种类关系较小。石墨材料所含杂质对氧化反应起催化作用，所以高纯石墨与普通石墨的氧化性有睨显。差别。(b)碳化物的生成在高温下碳熔解于F e、A 1、M o、C r、N i、T i等金属和B、si等非金属中生成碳化物。(c)石墨层间化合物的生成石墨的碳原子在其层面内是通过共价键牢固地连接在一起的，而在层间则靠较弱的范德华力结合。因此，在石墨的层间插入各种分子、原子、离子而不破坏其二维晶格，仅使层间距增大，可以制成一种石墨特有的化合物称为石墨层间化合物，制造石墨层间化台物通常采用天然鳞片石墨为原料。在石墨层间化合物中已得工业上广泛应用的是柔性石墨。柔性石墨不仅具有自润滑性和耐高温性，还具有柔韧性、可饶性和压缩回弹性，可作为精炼炉、高温炉的绝热材料，并广泛用作密封材料。为了提高柔性石墨的抗氧化性，在柔性石墨中加入硼酸、热固树脂、无机物胶体等粘合剂。由此可见，炭素材料在非氧化性介质中集耐热性、导电性于一体，但在氧化性占优势的环境中，温度高于627K就开始发生氧化反应，并且随着温度的升高，氧化速度加快，结构因此而受到腐蚀、破坏、影响其高温下的使用。所以，石墨材料的抗氧化保护问题正在受到广泛重视。