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 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  电解 、铸模和 高温轴承等 ；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 。