炭素工藝學(xué)——第一章炭和石墨材料

1、錢湛芬 主編 冶金工業(yè)出版社 劉洪波劉洪波 教授教授 炭素材料炭素材料 （碳材料）（碳材料） 炭材料：炭材料：主要成分為非石墨質(zhì)碳的固體材料 石墨材料：石墨材料：主要成分為石墨質(zhì)碳的固體材料 新型炭素材料：新型炭素材料：種類繁多，性能優(yōu)異，應(yīng)用前景廣泛。 常用炭素材料：常用炭素材料：在實(shí)際生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用。 第一章第一章 炭和石墨材料炭和石墨材料 炭素材料炭素材料 （碳材料）（碳材料） 炭素材來分類：炭素材來分類： 本章重點(diǎn)介紹常用帶黏結(jié)劑的炭素材料及其基本性質(zhì)。本章重點(diǎn)介紹常用帶黏結(jié)劑的炭素材料及其基本性質(zhì)。 1.1 炭素材料的基本性質(zhì)炭素材料的基本性質(zhì) 1.1.1 碳的晶體結(jié)構(gòu)碳的晶體結(jié)構(gòu)

2、 亂層結(jié)構(gòu) 金剛石結(jié)構(gòu) 理想石墨結(jié)構(gòu) 五種典型富勒烯 1.1.1.1 金剛石的結(jié)構(gòu)金剛石的結(jié)構(gòu) 金剛石為面心立方晶體，每個(gè)晶胞包 含8個(gè)碳原子，晶胞邊長(zhǎng)a=3.559710-10 m， 理論密度等于3.5362 g/cm3。金剛石是最 典型的共價(jià)鍵晶體，碳原子間通過sp3雜化 軌道與相鄰4個(gè)原子形成共價(jià)鍵，鍵長(zhǎng) 1.544510-10 m，鍵角為10928。金剛 石中碳原子間形成的共價(jià)鍵是飽和鍵，具 有很強(qiáng)的方向性，其結(jié)合力很強(qiáng)，所以金 剛石的硬度和熔點(diǎn)很高，而且是絕緣體。 金剛石結(jié)構(gòu) 1.1.1.2 石墨的結(jié)構(gòu)石墨的結(jié)構(gòu) 石墨結(jié)構(gòu)是由sp2雜化軌道形成，即1個(gè)2s電子和2個(gè)2p電子sp2雜化

3、形成等價(jià)的雜化 軌道，形成位于同一平面上交角為120的鍵，而未參加雜化的2p電子垂直于該平面 形成鍵，由此構(gòu)成石墨的六角平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以垂直于基面的方向堆疊。 在石墨中，片層內(nèi)是鍵疊加鍵，片層間則以較弱的較弱的范德華分子鍵結(jié)合。 石墨有兩種堆疊形式：一種以AB AB三維空間有序排列；另一種是以ABC ABC 三維空 間有序排列。以如下圖所示： 理想石墨結(jié)構(gòu) （a）六方晶系石墨；（b）斜方晶系石墨 兩種堆疊方式的石墨結(jié)構(gòu) 斜方晶系石墨實(shí)際上是六方晶系由于晶體缺陷形成的，其在天然石墨 中占20%30%，經(jīng)3000 處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄凳?，故在人造石?中不存在。 具有理想石墨晶體結(jié)構(gòu)的巨大石墨

4、單晶是不存在的，即使從天然鱗片石墨具有理想石墨晶體結(jié)構(gòu)的巨大石墨單晶是不存在的，即使從天然鱗片石墨 中精選出來的單晶，其尺寸也僅為幾毫米。但其作為一個(gè)科學(xué)模型，對(duì)炭素材中精選出來的單晶，其尺寸也僅為幾毫米。但其作為一個(gè)科學(xué)模型，對(duì)炭素材 料的來說具有重要的指導(dǎo)意義。料的來說具有重要的指導(dǎo)意義。 1.1.1.3 炔炭炔炭 炔炭是由sp雜化軌道形成方向相反，交角為180的鍵，兩個(gè)未參與 雜化的2p電子形成兩個(gè)鍵，形成線狀聚合物鍵(CCCCC)n 。因其結(jié) 構(gòu)單元與炔烴相對(duì)應(yīng)，故稱為炔炭。 1.1.1.4 富勒烯（巴基球）富勒烯（巴基球） 富勒烯的發(fā)現(xiàn)的得益于碳原子簇的研究，1985年，克羅托等人在

5、用激光 轟擊石墨靶，作碳的氣化實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種60個(gè)碳原子組成的穩(wěn)定原子簇， 就是后來的C60。C60的結(jié)構(gòu)為由20個(gè)正六角環(huán)和12個(gè)正五角環(huán)組成的籠形結(jié) 構(gòu)，其中每個(gè)正五角環(huán)為正六角環(huán)所分隔開。 后來人們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)偶數(shù)碳原子簇都可以形成封閉籠形結(jié)構(gòu)，其中五角 環(huán)數(shù)恒定為12個(gè)，六圓環(huán)數(shù)則因籠的大小而定。五種最典型的穩(wěn)定化得富勒 烯結(jié)構(gòu)為C32、C44、C50、C60、C70。 最近報(bào)道C76、C84也為穩(wěn)定分子，并認(rèn)為可能存在如C180、C240等碳原子 數(shù)更大的富勒烯成員。 五種典型富勒烯結(jié)構(gòu) C60分子具有很高的對(duì)稱性，人們將其描述為平截正20面體形成的32面體， 直徑為7.1 。C60

6、具有60個(gè)頂角，每個(gè)頂角為兩個(gè)正六角環(huán)和一個(gè)正五角環(huán)的 匯聚點(diǎn)，在每個(gè)頂角上有一個(gè)碳原子，每個(gè)碳原子以兩個(gè)單鍵、一個(gè)雙鍵與 相臨的三個(gè)碳原子相連接。每個(gè)六角環(huán)，C與C之間以sp2雜化軌道形成共軛雙 鍵，而在籠的內(nèi)外表面都被電子云所覆蓋。整個(gè)分子是芳香性的。 C70的結(jié)構(gòu)為12個(gè)五角環(huán)和25個(gè)六角環(huán)圍城的37面體，碳原子占據(jù)70個(gè) 頂角位置，有的是2個(gè)六角環(huán)和1個(gè)五角環(huán)的匯聚點(diǎn)，有的為三個(gè)六角環(huán)的聚 會(huì)點(diǎn)。 1.1.1.5 亂層結(jié)構(gòu)亂層結(jié)構(gòu) 亂層結(jié)構(gòu)：亂層結(jié)構(gòu)：實(shí)際中，絕大多數(shù)炭素材料中的六角網(wǎng)狀平面很不平整，存 在空洞、位錯(cuò)、邊緣含雜質(zhì)以及雜質(zhì)夾雜等缺陷，它們連接成波浪形層面， 近似平行堆積的

7、結(jié)構(gòu)，這就是亂層結(jié)構(gòu)。 亂層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：亂層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：堆積層數(shù)少、層間距大于理想石墨、無宏觀晶體結(jié)構(gòu)但 存在微晶。根據(jù)微晶聚集狀態(tài)，具有亂層結(jié)構(gòu)的炭素材料可分為，可石墨化炭 和難石墨化炭。 亂層結(jié)構(gòu)：(a) 可石墨化炭； (b) 難石墨化炭 可石墨化炭中微晶定向性交好，微晶間交叉連接較少，層間距約為3.44 。 對(duì)其進(jìn)一步熱處理時(shí)可轉(zhuǎn)化為石墨炭。 難石墨化炭中微晶定向性差，微晶間交叉連接，有許多空隙，層間距為 3.7 ，即使經(jīng)高溫?zé)崽幚?，也不可能成為石墨炭?在熱處理過程中可石墨化炭與難石墨化炭的層間距d002和堆積層厚度Lc的 變化規(guī)律不同，成為判斷區(qū)分它們的標(biāo)準(zhǔn)。 兩種類型碳在熱處理過程

8、中d002和Lc的變化 1可石墨化炭；2難石墨化炭 1.1.2 炭素材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)炭素材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì) 1.1.2.1 密度密度 真實(shí)密度真實(shí)密度反映炭素材料的石墨化度，比較精確的測(cè)定方法是采用X射線衍 射法測(cè)定其晶格常數(shù)a和c，然后按下式計(jì)算： v Nm Dt Dt真實(shí)密度，g/cm3； m 碳原子質(zhì)量，1.6596310-24g； N 單位晶格中碳原子數(shù)，N=4； v 單位晶格的體積容積，a2 sin60c， m3 經(jīng)計(jì)算，理想石墨的真實(shí)密度Dt為2.265 g/cm3，而人造石墨由于晶體缺陷 的存在一般為2.162.23 g/cm3 ，核石墨、熱解石墨也可達(dá)到2.242.25 g/cm3。

9、 在實(shí)際生產(chǎn)中，常用溶劑置換法來測(cè)定真實(shí)密度，但由于溶劑無法進(jìn)入閉孔， 故其測(cè)定值往往低于X射線衍射法的測(cè)定結(jié)果。 體積密度體積密度Dv是單位體積（碳和空隙的體積）炭素材料的質(zhì)量。一般人造 石墨的體積密度為1.501.75 g/cm3，經(jīng)特殊處理后也可達(dá)到1.902.20 g/cm3。 1.1.2.2 氣孔結(jié)構(gòu)氣孔結(jié)構(gòu) 氣孔分類：氣孔分類： 開氣孔 閉氣孔 貫通孔 按形分類態(tài)按尺寸分類 微孔（2 nm） 中孔（250 nm） 大孔（50 nm） 氣孔率氣孔率 炭素材料的全氣孔率可以用真實(shí)密度和體積密度來計(jì)算，如下式： %100 t vt t D DD p Pt全氣孔率，%；Dt，Dv真實(shí)密度核

10、體積密度，g/cm3。 幾種常用炭素材料的全氣孔幾種常用炭素材料的全氣孔 孔徑分布及其分布孔徑分布及其分布 炭素材料中的氣孔一般是不規(guī)則的，此時(shí)的孔徑是指 與不規(guī)則氣孔具有相同體積的球形氣孔的直徑。平均孔半徑可有下式計(jì)算： v t SD P r 3 平均孔半徑，cm； Pt 全氣孔率，%； S 比表面積，cm2/g； Dv體積密度，g/cm3 r 孔徑有時(shí)也采用與不規(guī)則孔具有相同體積的圓柱形氣孔的底面半徑表示。 孔特征的描述，除了要說明其孔徑外還需說明孔徑分布,用孔徑分布函數(shù) 表示。 孔徑分布 函數(shù) 數(shù)分布函數(shù)數(shù)分布函數(shù)DN(R)，表示孔半徑介于RRR范圍內(nèi)的氣 孔 數(shù)占?xì)饪卓倲?shù)的百分比。 體

11、積分布函數(shù)體積分布函數(shù)Dv(R)，表示孔半徑介于RRR范圍內(nèi)的 孔 的體積占?xì)饪卓傮w積的百分比 比表面積比表面積 1g材料所具有的總表面積稱為比表面積。比表面積在某種 程度上反映了材料可與外界接觸的面積，一般采用氣體吸附法測(cè)定（氮 氣吸脫附）。 形狀因子形狀因子 氣孔的形狀是描述氣孔結(jié)構(gòu)的重要特征參數(shù)。形狀因 子為氣孔長(zhǎng)度與其寬度的比值。氣孔的長(zhǎng)度可取氣孔的最大Feret直 徑，而寬度則取氣孔的最小Feret直徑。 1.1.2.3 氣體滲透率氣體滲透率 炭素材料為多孔材料，所以在一定壓力下，氣體可以透過。 氣體在多孔材料 中的流動(dòng)形式 黏性流動(dòng)黏性流動(dòng)，常壓下，氣體在較大孔徑（孔徑大于通過材料

12、 氣體的平均自由程）內(nèi)的流動(dòng)屬于黏性流動(dòng)。 滑動(dòng)流動(dòng)滑動(dòng)流動(dòng)，氣體壓力減小，氣體分子的平均自由程接近孔 徑時(shí)，呈滑動(dòng)流動(dòng)。 自由流動(dòng)自由流動(dòng)，氣體在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)，且壓力不大時(shí)，氣體分 子的平均自由程大于孔徑，產(chǎn)生分子自由流動(dòng)。 一般炭素材料的氣體滲透率更苦達(dá)爾塞定律，按下式計(jì)算： AP LQ K K氣體滲透率，cm2/s； Q壓力-體積流速，MPacm3/s； L試樣厚度，cm； A試樣截面積，cm2； P在試樣厚度兩側(cè)的壓力差，MPa。 一般炭素材料的氣體滲透率為0.110 cm2/s，浸漬處理后的不透性石墨 約為10-8 cm2/s；玻璃炭和熱解炭則可達(dá)10-12 cm2/s，與玻璃的透氣

13、率相同。 由于只有貫通氣孔才能通過氣體，故氣體滲透率與材料的氣孔率沒有直接關(guān)系。由于只有貫通氣孔才能通過氣體，故氣體滲透率與材料的氣孔率沒有直接關(guān)系。 1.1.3 炭素材料的機(jī)械力學(xué)性質(zhì)炭素材料的機(jī)械力學(xué)性質(zhì) 炭素材料 的機(jī)械強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度（石墨電極抗壓強(qiáng)度測(cè)定方法參見GB 143185） 抗折強(qiáng)度（石墨電極抗折強(qiáng)度測(cè)定方法參見GB 3074.182） 抗拉強(qiáng)度（炭素材料抗拉強(qiáng)度測(cè)定方法參見YB 90978） 炭素材料的機(jī) 械強(qiáng)度的特征 機(jī)械強(qiáng)度有各向異性機(jī)械強(qiáng)度有各向異性，平行于片層方向（）的強(qiáng)度大， 而垂直于層面方向（）的強(qiáng)度低。 在在2500以內(nèi)以內(nèi)，比強(qiáng)度隨溫度升高而增大，比強(qiáng)度隨溫度

14、升高而增大。 幾種炭石墨制品強(qiáng)度的各向異性 人造石墨的抗壓強(qiáng)度為抗折強(qiáng)度的1.62.9倍，而抗拉強(qiáng)度則為抗折強(qiáng)度 的0.470.60。 炭素材料抗拉強(qiáng)度隨使用溫度的變化幾種耐熱材料的比強(qiáng)度隨溫度的變化 1超耐熱合金；2燒結(jié)MgOAl2O3； 3燒結(jié)Al2O3；4燒結(jié)BeO；5人造石墨 由上面兩圖可知，炭素材料的抗拉強(qiáng)度隨溫度升高的增加率；在1500 以上，其他材料的強(qiáng)度急劇下降，而人造石墨材料的比強(qiáng)度繼續(xù)升高，直到 2500才開始下降。因此，在不考慮氧化的情況下，炭素材料作為高溫才來 有其獨(dú)特的優(yōu)越性。 1.1.3.2 炭素材料的彈性模量及蠕變特性炭素材料的彈性模量及蠕變特性 彈性模量：彈性模

15、量：表示材料所受應(yīng)力與產(chǎn)生應(yīng)變之間的關(guān)系，通常采用楊氏彈性模量。 石墨晶體、石墨晶須、熱解石墨和高模量炭纖維的彈性模量比較高，而一 般炭素材料的彈性模量比較低。 炭素材料與一些金屬材料的模量 炭素材料在室溫下基本上屬于脆性材料，容易發(fā)生斷裂。 靜態(tài)法：靜態(tài)法：將試樣夾在萬能試驗(yàn)機(jī)的夾具上，施加靜拉伸負(fù)載，測(cè)出 式樣的拉伸變形，通過下列公式計(jì)算得到： LS PL E 0 E楊氏彈性模量，MPa； L0試樣原來長(zhǎng)度，cm； P拉伸負(fù)荷，N； S試樣橫截面積，cm3；L相應(yīng)于P時(shí)的伸長(zhǎng)，cm。 楊氏彈性模量測(cè)定 動(dòng)態(tài)法：動(dòng)態(tài)法：即聲頻法，參照GB 3074.282。 炭素材料的彈性模量具有方向性炭素

16、材料的彈性模量具有方向性，對(duì)于擠壓產(chǎn)品而言，平行于擠壓方向 的彈性模量大于垂直于擠壓方向。 石墨的彈性模量與溫度的關(guān)系 1瀝青焦基；2石油焦基 同時(shí)，炭素材料的彈性模量隨溫度升高而增大炭素材料的彈性模量隨溫度升高而增大。用石油焦或?yàn)r青焦制成 的人造石墨在1800下的彈性模量相比于室溫下，提高了40%50%。 人造石墨的蠕變曲線 （2500，31 MPa） 人造石墨在不同溫度下的蠕變進(jìn)度 炭素材料的蠕變特性：炭素材料的蠕變特性：對(duì)于彈性體而言，應(yīng)力應(yīng)變?cè)趶椥詷O限內(nèi)呈線性 關(guān)系，對(duì)交變應(yīng)力是可逆的；而炭素材料是非彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變呈非線性 關(guān)系，即使在很小的應(yīng)力作用下也會(huì)發(fā)生塑性變型，并且在200

17、0以上存在明 顯的蠕變現(xiàn)象。 與石墨材料相比其他炭素材料的蠕變更大，且蠕變溫度（1500）更低； 炭素材料的蠕變也呈各向異性，一般平行于晶粒取向方向上蠕變小，垂直方向 蠕變大。 1.1.3.3 石墨材料的摩擦性能石墨材料的摩擦性能 石墨材料既耐磨，又具有自潤滑性。這是由于石墨晶體層間以分子鍵結(jié)合， 易于剝離，在摩擦面上形成極薄的石墨晶體，使摩察系數(shù)顯著降低。 石墨對(duì)各種材料的摩擦系數(shù) 石墨導(dǎo)熱性好石墨導(dǎo)熱性好。實(shí)際應(yīng)用中，材料的耐磨性能與滑動(dòng)速 度有關(guān)?；瑒?dòng)速度增加，會(huì)使摩擦面的溫度增加，摩擦材料 發(fā)生不可逆的額變化，從而導(dǎo)致耐磨性降低；但石墨材料具 有良好的導(dǎo)熱性，因而速度對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率

18、的影響很小， 不會(huì)導(dǎo)致其耐磨性能降低。 石墨材料 具有優(yōu)異 摩擦性能 的原因 石墨具有自潤滑性。石墨具有自潤滑性。石墨層與層之間結(jié)合力弱，易于相對(duì) 滑動(dòng)。當(dāng)石墨在材料表面形成石墨薄層后，就成為石墨與石墨 之間的摩擦。 石墨的自潤滑性有賴于水和空氣的存在。石墨的自潤滑性有賴于水和空氣的存在。在水和空氣存在的情況下，石 墨工作面上吸附水和氣體分子，增大了層間距，減弱層間作用力；另外水和 氣體分子占據(jù)了石墨邊緣自由鍵的位置，這兩個(gè)因素都使石墨兩摩擦面不易 附著。作為潤滑材料的石墨制品，工作環(huán)境中水分臨界值為5 g/m3，低于此 值，石墨磨損率增大。 空氣介質(zhì)中，由于石墨氧化，在溫度到達(dá)空氣介質(zhì)中，由

19、于石墨氧化，在溫度到達(dá)300400時(shí)摩擦系數(shù)增高；而時(shí)摩擦系數(shù)增高；而 在中性或還原性介質(zhì)中，即使溫度達(dá)到在中性或還原性介質(zhì)中，即使溫度達(dá)到3001000也還保持良好的耐磨性。也還保持良好的耐磨性。 1.1.4 炭素材料的熱學(xué)性炭素材料的熱學(xué)性 質(zhì)質(zhì) 固體材料的熱學(xué)性質(zhì)實(shí)質(zhì)上是固體材料晶格中原子熱振動(dòng)在各方面的表現(xiàn)。 1.1.4.1 熱容、熵和焓熱容、熵和焓 通常的晶體遵循杜隆-普帝定律，即在常溫附近的比熱容為2.09 KJ/(KgK)。 炭素材料的比熱容不服從該定律。 炭素材料在不同溫度下的比熱容 比焓和比熵 炭素材料的比熱容不隨石墨化度和炭素材料的種類而變化。理論上講，各 向同性晶體的比熱

20、容與T3成正比；而在1.510 K低溫時(shí)碳的比熱容與T2.4成正 比，在060 K時(shí)則與T2成正比，由此證明石墨晶體為層狀結(jié)構(gòu)。 1.1.4.2 蒸汽壓蒸汽壓 碳的蒸汽壓較低，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下， 2500 K時(shí)，約為0.1 P，在低于該溫度 應(yīng)用時(shí)，蒸汽壓可以忽略不計(jì)。因此 炭素材料可以高溫（例如2000）真 空條件下使用。在更高溫度和高真空 下，蒸汽壓接近平衡狀態(tài)，應(yīng)注意炭 素材料本身的消耗。 碳的蒸汽壓與溫度關(guān)系 1.1.4.3 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 固體材料中 熱傳導(dǎo)方式 通過自由電子流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)通過自由電子流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)金屬屬于這一類； 靠晶格原子的熱振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)靠晶格原子的熱振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，非金屬包

21、括炭素材料在內(nèi)屬 于晶格熱導(dǎo)體。 晶格熱振動(dòng)的原理：晶格熱振動(dòng)的原理：在一定溫度下，晶格中原子的熱振動(dòng)有一定振 幅，一個(gè)原子振動(dòng)就會(huì)對(duì)鄰近原子施加周期性作用力，如果鄰近原子處 在較低溫度，振動(dòng)幅度相對(duì)較小，相互作用的結(jié)果發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這 樣就使熱量由熱端向冷端傳遞。 熱導(dǎo)率計(jì)算公式： Lcv 3 1 熱導(dǎo)率，W/(mK)； c體積比熱容，KJ/(m3K)； 晶格波傳遞速度，m/s； L晶格波平均自由程，nm。 炭素材料的炭素材料的 熱導(dǎo)率特點(diǎn)熱導(dǎo)率特點(diǎn) 石墨的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)各向異性。石墨的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)各向異性。這是由于石墨晶格中晶格波 主要沿晶格網(wǎng)平面?zhèn)鬟f，而且在平面上還有電子作用。 炭素材料的熱

22、導(dǎo)率與石墨化度有密切關(guān)系，石墨化度炭素材料的熱導(dǎo)率與石墨化度有密切關(guān)系，石墨化度愈高愈高， 則熱導(dǎo)率愈高。則熱導(dǎo)率愈高。這是由于在常溫或較低溫度下，晶格波平 均自由程與微晶尺寸La成正比，炭素材料的晶格缺陷也對(duì) 晶格波平均自由程有影響。 石墨材料的熱導(dǎo)率隨溫度升高而減小，大致與絕對(duì)溫度成反比。石墨材料的熱導(dǎo)率隨溫度升高而減小，大致與絕對(duì)溫度成反比。 石墨材料與其他炭素材料的比熱容相差不多，但熱導(dǎo)率則高幾倍到幾十倍。 石墨材料是一種良好的導(dǎo)熱體，其熱導(dǎo)率可與一些金屬媲美。而多孔炭、炭布、 炭氈等炭素材料則為高溫隔熱材料。 石墨與一些金屬的熱導(dǎo)率 1.1.4.4 熱膨脹系數(shù)（熱膨脹系數(shù)（CTE）

23、線熱膨脹：線熱膨脹：固體材料的長(zhǎng)度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為線熱膨脹。 線熱膨脹系數(shù)可用下式計(jì)算： tL L a 0 線熱膨脹系數(shù)，1/； L伸長(zhǎng)量，cm； L0原始長(zhǎng)度，cm； t升高的溫度，。 當(dāng)炭素材料用于工作溫度高、變化幅度大，而且要求材料尺寸無明顯變 化的場(chǎng)合時(shí)，值成為重要的質(zhì)量指標(biāo)之一。 炭素材料和一些金屬材料的線熱膨脹系數(shù)(1/10-6) 炭素材料線膨脹 系數(shù)的特點(diǎn) 炭素材料的線膨脹系數(shù)比金屬小得多，而且隨石墨化度提 高而減小。 炭素材料的線膨脹系數(shù)具有明顯的各向異性。a軸方向的 值在450一下為負(fù)值，常溫時(shí)達(dá)到最小值，而c軸方向的 值均為正值。 石墨晶體的線熱膨脹系數(shù) 石墨制品

24、的值隨溫度的變化都有相同的趨勢(shì)，以20100區(qū)間測(cè)定的值 為基準(zhǔn)，只要加上附加值（）即可得到不同溫度下的線膨脹系數(shù)。而炭素 材料的熱膨脹系數(shù)是在熱膨脹儀中測(cè)定，石墨電極熱膨脹系數(shù)測(cè)定方法可參 見GB 3074.482。 平均線熱膨脹系數(shù)的溫度修正值 1.1.4.5 抗熱震性抗熱震性 抗熱震性：抗熱震性：材料在高溫下使用時(shí)，能經(jīng)受溫度的劇變而不受破壞的性能。 當(dāng)溫度快速變化時(shí)，材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，它們的膨脹和收縮不同而 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使材料破壞。 提高材料抗熱震性的方法：減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生、緩沖熱應(yīng)力的發(fā)展和增強(qiáng) 抵抗熱應(yīng)力的能力。 抗熱震性指標(biāo)與耐熱沖擊參數(shù)與力學(xué)

25、和熱學(xué)之間關(guān)系： 2/1 vpD cE P R E P R R抗熱震性指標(biāo)； R耐熱沖擊參數(shù)； P抗拉強(qiáng)度，MPa； 縣熱膨脹系數(shù)，1/； E楊氏彈性模量，MPa； 熱導(dǎo)率，W/(mK)； cp定壓比熱容，KJ/(KgK)； Dv體積密度，g/cm3。 炭素材料的熱導(dǎo)率高、炭素材料的熱導(dǎo)率高、值小，從而熱應(yīng)力小，值小，從而熱應(yīng)力小，E值低，可以緩解熱應(yīng)值低，可以緩解熱應(yīng) 力，因而它的抗熱震性強(qiáng)。石墨的力，因而它的抗熱震性強(qiáng)。石墨的耐熱沖擊參數(shù)遠(yuǎn)高于耐熱沖擊參數(shù)遠(yuǎn)高于其他一些耐熱材料。其他一些耐熱材料。 各種耐熱材料的耐熱沖擊參數(shù) 1.1.5 炭素材料的電學(xué)和磁學(xué)性炭素材料的電學(xué)和磁學(xué)性 質(zhì)質(zhì)

26、1.1.5.1 導(dǎo)電性和電阻率導(dǎo)電性和電阻率 物質(zhì)的導(dǎo)電能力大小一般采用電阻率（）來表示，按導(dǎo)電能力不同，固 體物質(zhì)可分為電的良導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三類。 常用炭素材料的電阻率 炭素材料 導(dǎo)電性的特點(diǎn) 石墨化程度高的炭素材料的導(dǎo)電性有明顯的各向異性。石墨化程度高的炭素材料的導(dǎo)電性有明顯的各向異性。石墨晶 體層面上的原子以共價(jià)鍵疊合金屬鍵結(jié)合，所以具有良好的導(dǎo) 電性；而在石墨晶體層與層之間是由較弱的分子鍵鏈接，故導(dǎo) 電能力弱。 炭素材料的導(dǎo)電能力隨石墨化度不同而不同炭素材料的導(dǎo)電能力隨石墨化度不同而不同。石墨化度高， 層面排列平行，晶格缺陷少，有利于電子流動(dòng)，其電阻率就 低。 溫度變化對(duì)炭素材料

27、 的導(dǎo)電性的影響 石墨晶體受熱，價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶，自由 電子數(shù)量增加，電阻率降低。 溫度升高，晶格點(diǎn)陣熱振動(dòng)加劇，振幅增大，自 由電子流動(dòng)阻力加大，電阻率增加。 在100900K以下，溫度使電子激發(fā)作用起主導(dǎo)，炭素材料的電阻溫度系 數(shù)為負(fù)值，900K以上為正值。石墨在溫度超過1000時(shí)的電阻率可由下式計(jì) 算： 石墨制品的電阻率及電阻溫度系數(shù) 1000 1000 t t t，1000分別在t和1000時(shí)的電阻率； 電阻溫度系數(shù)。 1.1.5.2 磁學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì) 炭素材料磁化后產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度方向相反，是一種抗 磁性物質(zhì)，其磁化率()為負(fù)值。 平均抗磁性磁化率：平均抗磁性磁

28、化率：定義1/3位平均抗磁性磁化率。 磁阻：磁阻：在外加磁場(chǎng)時(shí)的電阻率(H)與不加磁場(chǎng)時(shí)的電阻率()之差值與 電阻率之比(/)稱為磁阻。磁阻與炭素材料的熱處理溫度有密切關(guān)系，因 此磁阻是評(píng)價(jià)石墨化度極其靈敏的指標(biāo)之一。 炭素材炭素材 料磁學(xué)料磁學(xué) 特性特性 大多數(shù)炭素材料的磁化率呈現(xiàn)明顯的各向異性。大多數(shù)炭素材料的磁化率呈現(xiàn)明顯的各向異性。單晶石墨不同方向 的單位質(zhì)量磁化率分別為=-21.510-6 emu/g；=-0.510-6 emu/g。=-2110-6 emu/g。 各種炭素材料在不同溫度下的各種炭素材料在不同溫度下的m值與其微晶大小相關(guān)，值與其微晶大小相關(guān)，測(cè)定石墨 材料的抗磁性磁化

29、率是研究石墨晶體發(fā)育程度的方法之一。 1.1.6 炭素材料的化學(xué)性質(zhì)炭素材料的化學(xué)性質(zhì) 炭素材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種耐腐蝕材料。但在高溫下會(huì)與氧化性氣 體或強(qiáng)氧化性酸發(fā)生氧化反應(yīng)；在高溫下會(huì)熔解于金屬并生成碳化物，形成石 墨層間化合物。 1.1.6.1 氧化反應(yīng)氧化反應(yīng) 碳氧化反應(yīng) 的影響因素 溫度溫度，常溫下碳與各種氣體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 石墨化度石墨化度，石墨化度愈高，石墨的晶體結(jié)構(gòu)愈完整，其反應(yīng) 活化能大，抗氧化性好。 炭素材料的孔結(jié)構(gòu)炭素材料的孔結(jié)構(gòu)，碳與氣體之間反應(yīng)屬于氣固反應(yīng)，其反 應(yīng)速度由表面反應(yīng)速率和氣體分子向材料內(nèi)部擴(kuò)散速率決定。 較低溫度下，氧化速率不高，氣體分子能擴(kuò)散到材

30、料內(nèi)部， 此時(shí)，氧化反應(yīng)速率與孔結(jié)構(gòu)有關(guān)；在800以上，化學(xué)反 應(yīng)速率快，氧氣分子來不及擴(kuò)散到材料內(nèi)部，此時(shí)氧化速率 與孔結(jié)構(gòu)關(guān)系較小。 雜質(zhì)雜質(zhì)，炭素材料所含雜質(zhì)對(duì)氧化反應(yīng)起催化作用。 1.1.6.2 碳化物的生成碳化物的生成 在高溫下碳溶解于Fe、Al、Mo、Cr、Ni、V、U、Th、Zr、Ti等金屬和B、 Si等非金屬中生成碳化物。 碳與IV、V、VI族元素生成的碳化物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性好，硬度高，一般具 有導(dǎo)電性，有的還顯示超導(dǎo)性。某些碳化物的固溶體如4TaC+1ZrC或 4TaC+1HfC的熔點(diǎn)達(dá)到4200 K，是已知熔點(diǎn)最高的物質(zhì)。 碳與堿金屬、堿土金屬、Al及稀土類元素生成鹽類碳化物

31、，它們一般為絕 緣體，但部分化學(xué)穩(wěn)定性較差埋在水或稀酸中分解。 1.1.7 炭素材料的和物理性質(zhì)炭素材料的和物理性質(zhì) 核反應(yīng)堆是核燃料進(jìn)行有效控制的裂變裝置。核裂變物質(zhì)在裂變時(shí)產(chǎn)生速 度非?？斓目熘凶?，不易為核燃料所俘獲，核裂變不能持續(xù)進(jìn)行。當(dāng)快中子與 減速材料發(fā)生彈性碰撞失去大部分能力后，速度大大減慢，成為慢中子。用慢 中子去轟擊核裂變物質(zhì)的原子核，才能使它持續(xù)產(chǎn)生核裂變。 減速材料必須 具備的特點(diǎn) 每次碰撞時(shí)能使中子損失較多能量。 吸收中子少，提高中子利用率。 能長(zhǎng)期經(jīng)受中子和其它高能粒子的轟擊而變化很小。 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與裂變區(qū)內(nèi)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 1.1.7.1 石墨的核物理參數(shù)石墨

32、的核物理參數(shù) 截面：截面：在核物理學(xué)中，把某種核反應(yīng)發(fā)生的幾率用“截面”作為度量，以表 示,單位是靶恩(b)。1 b=10-24 cm2 散射：散射：中子與原子核碰撞，僅使中子運(yùn)動(dòng)方向和速度改變，而未被原子核 吸收的現(xiàn)象稱為散射。 原子的散射界面：原子的散射界面：某一元素的原子核散射中子的幾率。一個(gè)碳原子的散射 截面為4.7 b。 俘獲：俘獲：核反應(yīng)中的吸收包括裂變和俘獲。俘獲是指原子核吸收中子后不裂 成碎片，而是釋放其他粒子(粒子、粒子)。一個(gè)碳原子的中子吸收截面為 0.0037 b。 石墨材料作為反射材料要求散射截面大，吸收截面小。但一般石墨中的某 些雜質(zhì)（鎘、硼、稀土元素等）吸收截面十分

33、大，所以核石墨必須是高純石墨核石墨必須是高純石墨。 全吸收系數(shù)全吸收系數(shù)(a)：指1cm3的碳原子對(duì)中子吸收的總截面，a=Nca，其中 Nc為1cm3的碳原子數(shù)，Nc計(jì)算公式如下： A c V c N A D N Dv核石墨的體積密度，g/cm3； Ac碳的原子質(zhì)量，為12.01； NA阿伏加德羅常數(shù)，為6.361023。 設(shè)石墨的體積密度為1.67 g/cm3，可求出Nc=8.381023；a=3.11020 b。 減速比：減速比：反應(yīng)中子減速材料減速性能的一個(gè)物理量，中子減速材料需要其 散射截面和對(duì)中子速度控制力強(qiáng)，同時(shí)吸收截面小。減速比與中子散射界面 和能量損失平均對(duì)數(shù)值成正比，與中子吸

34、收截面成反比。 快中子的減速是通過彈性散射和非彈性散射失去一部分能量而實(shí)現(xiàn)的。每 次碰撞的能量損失，通常通過對(duì)數(shù)平均值表示，計(jì)算公式如下： 2 1 ln E E 能量損失平均對(duì)數(shù)值； E1，E2中子碰撞前和碰撞后的能量。 石墨的值為0.158?？熘凶用颗鲎惨淮问サ哪芰坑啵錅p速能力愈強(qiáng)。 減速能力用1cm3減速材料的全部原子核的減速能力()來表示。=Ncs。對(duì)于 上訴石墨而言，=8.3810224.710-240.158=0.0625 c-1。表明，快中子在 核石墨中沒行走1 cm距離，平均損失總能量的6.25%。 減速能力只反映了減速材料控制中子速度的能力，而減速材料的另一個(gè)要 求是吸收

35、截面盡量小。綜合起來，用減速比()表示。計(jì)算公式如下： a s 對(duì)上述和石墨而言，s=4.710-24，a=0.003710-24，=0.158，故=201。 1.1.7.2 石墨與其他材料的核物理性能的對(duì)比石墨與其他材料的核物理性能的對(duì)比 重水是最理想的減速材料，但生產(chǎn)成本非常高。而石墨的減速比雖比重水 小得多，但高于其他材料，它的吸收截面也比較小，生產(chǎn)成本比重水低得多， 所以從世界上第一座核反應(yīng)堆開始就采用石墨作為減速材料。 石墨與一些減速材料的核物理性能 1.1.7.3 輻射對(duì)石墨性能的影響輻射對(duì)石墨性能的影響 石墨在經(jīng)受輻射后，經(jīng)各種的碳原子會(huì)受快中子和其他高能粒子的猛烈轟 擊，會(huì)偏離

36、正常位置，晶格中產(chǎn)生空穴和畸變，從而引起石墨的物理和機(jī)械性 能的變化。其變化的大小有輻照強(qiáng)度、輻照溫度和石墨本身的質(zhì)量所決定。 減少輻照對(duì)石墨的損傷的方法：一方面選擇合適的原料和工藝增加石墨本增加石墨本 身質(zhì)量身質(zhì)量；另一方面控制輻射量及輻照溫度，重視石墨材料本身對(duì)輻照的承受量重視石墨材料本身對(duì)輻照的承受量。 石墨和物理性質(zhì)變化與輻照溫度、輻照量的關(guān)系 由上表可知，(1)在輻照溫度低于300時(shí)，垂直于擠壓方向的尺寸又增加或 收縮，平行方向均收縮；熱導(dǎo)率下降而電阻顯著增大；線熱膨脹系數(shù)變化不大； (2)及時(shí)在輻照量不大的情況下，石墨的機(jī)械強(qiáng)度和模量均增大，低溫下尤 為明顯，導(dǎo)致石墨變硬變脆，塑性

37、形變率大為降低； (3)石墨經(jīng)輻照后，其內(nèi)部貯存潛在能量，在溫度高于500后可以釋放，故 存在燒壞反應(yīng)器的風(fēng)險(xiǎn)。 1.1.8 炭素材料的生物相容性炭素材料的生物相容性 生物相容性：根據(jù)威廉士的定義，生物相容性是指在特定應(yīng)用中，材料表 現(xiàn)出適應(yīng)宿主反應(yīng)的能力。但生物相容性很難用幾個(gè)參數(shù)來確定，一般是經(jīng)過 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床觀察來判斷。 生物相容性包 括四方面類容 組織液成分向材料表面吸附，發(fā)生在界面上的初始過程； 材料由于在組織中存在而發(fā)生的變化； 材料對(duì)組織的影響； 界面反應(yīng)在整體系統(tǒng)或在遠(yuǎn)距離位置上造成的后果； 炭素材料的 生物相容性 軟組織相容性軟組織相容性 把炭纖維增強(qiáng)炭植入羊或兔的體內(nèi)，發(fā)

38、現(xiàn)材料與 肌肉組織有較好的黏附，周圍未發(fā)生什么變化。 骨組織相容性骨組織相容性 植入材料與骨接觸時(shí)，主要要求是與骨結(jié)合緊 密，彈性模量相近。實(shí)驗(yàn)表明，具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的炭材料有 利于骨組織的界面結(jié)合。 血液相容性血液相容性 炭素材料作為主體材料的最主要優(yōu)勢(shì)在于它具有良 好的血液相容性。 植入體與骨的截面剪切強(qiáng)度 上表表明金屬鈦與骨之間的結(jié)合力僅為炭材料的幾分之一，炭素材料具有 優(yōu)異的骨組織相容性。 低溫?zé)峤馓康纳镌囼?yàn)結(jié)果 上表說明低溫?zé)峤馓烤哂袃?yōu)異的血液相容性。 1.2 炭制品炭制品 炭制品炭制品是指成型后的生制品經(jīng)焙燒或浸漬后再經(jīng)焙燒而未經(jīng)石漠化的制品。 包括，炭電極、炭陽極、炭塊和炭磚、

39、炭電阻棒、炭棒等。 1.2.1 炭電極炭電極 炭電極炭電極是以無煙煤和冶金焦為主要原料（有時(shí)也用石油焦和瀝青焦）生產(chǎn) 的導(dǎo)電材料。它的電阻率高，導(dǎo)熱性及抗氧化性均不如石墨電極，灰分高；但 其在常溫常壓下的抗壓強(qiáng)度高于石墨電極，且成本僅為石墨電極的1/2。 常用 于小型電弧爐和生產(chǎn)鐵合金、黃磷及剛玉等電爐作為導(dǎo)電電極。由于使用炭電 極時(shí)通過的電流密度要比石墨電極低得多。所以，同容量的電弧爐采用炭電極 時(shí)，其直徑要比石墨電極大。目前炭電極的產(chǎn)量已不多。 我國炭電極的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（參見 YN 81978） 1.2.2 炭陽極炭陽極 炭陽極炭陽極又稱為預(yù)焙陽極主要以石油焦和瀝青焦作為原料。 炭陽極在鋁電解

40、槽中作為陽極導(dǎo)電材料。在電解過程中，既作導(dǎo)電體，同 時(shí)參加電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)過程中，陽極發(fā)生陽離子放電，碳被氧化成CO2和 CO，同時(shí)也會(huì)被空氣中氧氣氧化。氧化導(dǎo)致陽極表面骨料顆粒脫落，形成“炭 渣”，會(huì)惡化電解液，所以預(yù)焙陽極用到一定厚度就得更換。每噸鋁的炭陽極 消耗為500550 Kg。 炭陽極的 主要要求 我國炭陽極的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) （參見 YB 280978） 各部位質(zhì)點(diǎn)對(duì)氧和二氧化碳等氣體的反應(yīng)能力均一 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性； 具有一定的氣孔率，但要控制使開氣孔和和內(nèi)部缺陷少。 1.2.3 炭塊和炭磚炭塊和炭磚 炭塊炭塊為冶金工業(yè)大量使用的炭質(zhì)耐火材料。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、 化

41、學(xué)穩(wěn)定性、高溫體積穩(wěn)定性及較高的高溫強(qiáng)度。炭塊分為高爐炭塊、電爐炭 塊及鋁電解槽用炭塊。炭塊還可用作化工設(shè)備的耐腐蝕襯里。 1.2.3.1 高爐炭塊高爐炭塊 高爐炭塊用冶金焦及無煙煤作為原料，制品在1200左右焙燒而成。常用 于砌筑大型高爐爐底、爐缸、爐腹和爐身。加入少量石墨化冶金焦或碎石墨， 可提高炭塊導(dǎo)熱率；采用瀝青浸漬后二次焙燒可提高炭塊密度。在使用過程 中，不同工作環(huán)境應(yīng)采用不同品質(zhì)的炭塊。 炭塊在高爐中受 侵蝕的主要原因 (1)熔融鐵水與熔渣（含堿金屬）對(duì)炭塊的滲透和侵蝕； (2)鐵水、熔渣和煤氣對(duì)炭塊的機(jī)械沖刷作用； (3)炭塊因熱導(dǎo)率不夠，在高溫下產(chǎn)生熱應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋； (4)煤

42、氣中CO2及水氣對(duì)炭塊的溶損作用。 為了使炭塊的熱導(dǎo)率高、抗堿性強(qiáng)和滲透率低，在配方中采用電煅無煙煤 為主要原料，加入石墨碎和SiO2、SiC等添加劑，在工藝上發(fā)展了“熱模壓成形 工藝”。 高爐炭塊及其連接鍵（炭鍵）的質(zhì)量指標(biāo) 熱模壓成形炭塊與普通炭塊比較 1.2.3.2 鋁電解槽用炭塊鋁電解槽用炭塊 鋁電解槽用炭塊以無煙煤為主要原料，生產(chǎn)工藝與高爐炭塊相同。具有耐 高溫、抗熔鹽侵蝕和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，用于砌筑鋁電解槽內(nèi)襯，并作 為陰極導(dǎo)電材料。根據(jù)使用部位不同，可分為底炭塊和側(cè)炭塊。我國生產(chǎn) TKL-1、TKL-2、TKL-3三種牌號(hào)的鋁電解槽用炭塊。 鋁電解槽用炭塊的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 鋁電解槽

43、用炭塊的主要破損原因是：鈉滲入引起炭塊膨脹和熔融電解液的 滲透導(dǎo)致的熱膨脹系數(shù)提高。石油焦抗鈉侵蝕性差，必須避免使用它為原料。 1.2.3.3 電爐炭塊電爐炭塊 電爐炭塊用于砌筑石爐、鐵合金爐、石墨化爐的爐底、爐缸和爐墻。我國 生產(chǎn)的電爐炭塊的質(zhì)量指標(biāo)為灰分不大于8%；抗壓強(qiáng)度不小于29.4 MPa；氣孔 率不大于25%。 1.2.4 炭電棒（炭素格子磚）炭電棒（炭素格子磚） 炭電阻棒以瀝青焦為原料。主要用于豎式電阻爐生產(chǎn)氯化鎂時(shí)作發(fā)熱體和 填充材料。炭電阻棒要求有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕和適中的電阻率。 我國生產(chǎn)炭電阻棒的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(YB 280678)為：灰分不大于1.5%；抗壓強(qiáng)度

44、不小于44 MPa；氣孔率不大于26%；電阻率不大于49 m10-6。 1.2.5 炭棒炭棒 炭棒按其應(yīng)用特征可分為照明炭棒、加熱炭棒、導(dǎo)電炭棒和光譜分析用炭 棒。 照明炭棒主要利用電弧光能，可用于電影放映、照相制版、探照燈、電影 攝影等需要強(qiáng)光的地方。 弧光炭棒的主 要技術(shù)要求 光亮度 弧光燃燒時(shí)穩(wěn)定性。 燃燒速度 弧光 純碳電弧 火焰電弧 高光強(qiáng)電弧 三種炭棒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作電流密度 炭弧氣創(chuàng)用炭棒是利用炭電弧高達(dá)4000以上的溫度，來給鋼鐵、硬質(zhì)合 金等鑄件、構(gòu)件開焊槽，鏟平焊縫以及切割等需要高溫的作業(yè)； 精密鑄造用炭棒、電池用炭棒、接地用炭棒、電解錳用炭棒都是利用其導(dǎo) 電性能，作為導(dǎo)電

45、電極； 光譜分析用炭棒必須選用地灰分原料。具有純度高，不影響分析精度，機(jī) 械強(qiáng)度高，導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，用作分光分析的攝譜儀的炭電極。 1.3 炭糊類產(chǎn)品炭糊類產(chǎn)品 炭糊類產(chǎn)品：作為導(dǎo)電材料（電極糊或陽極糊）和砌筑炭磚時(shí)的粘結(jié)填料。 1.3.1 電極糊電極糊 電極糊是供給鐵合金爐，生產(chǎn)電石和黃磷的電爐作為消耗性導(dǎo)電材料用， 是一種自焙電極（通過電爐自發(fā)熱實(shí)現(xiàn)焙燒）。其工作電流密度為68 A/cm2。 不同電爐的炭電極糊選用不同的原料，小型電石爐或鐵合金爐可用冶金焦 或?yàn)r青焦，而大中型電爐則采用無煙煤及冶金焦。 原料中加入少量天然石墨或石墨化冶金焦能提高電極糊的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性； 此外，黏結(jié)劑

46、用料必須適當(dāng)，加入過多或過低的黏結(jié)劑都會(huì)導(dǎo)致電極硬斷。 我國五個(gè)牌號(hào)的電極糊的質(zhì)量指標(biāo) 1.3.2 陽極糊陽極糊 陽極糊也屬于自焙燒電極，供鋁電解槽作為陽極導(dǎo)電材料。陽極糊燒成后 的炭電極除導(dǎo)電外還參與電解反應(yīng)。在電解過程中，陽極下部不斷消耗，為保 持焙燒帶在一定范圍內(nèi)，陽極必須定期下移。陽極糊的原料為低灰的石油焦及 瀝青焦為原料，采用大顆粒配比能降低電解過程中的電極消耗和電壓損失，但 在CO2氣氛中的破壞程度有所增加。 我國陽極糊的質(zhì)量指標(biāo) 1.3.3 用于填縫及粘結(jié)的炭糊用于填縫及粘結(jié)的炭糊 填縫糊及粘結(jié)糊分為底部糊、粗縫糊、細(xì)縫糊。底部糊和粗縫糊以無煙煤 和冶金焦為原料，細(xì)縫糊的原料為冶

47、金焦；為降低軟化點(diǎn)，選用中溫瀝青與煤 焦油混合物為粘結(jié)劑。 1.4 人造石墨電極人造石墨電極 原料 普通人造石墨電極石油焦和冶金焦 高功率和超高功率電極針狀焦 特點(diǎn) 灰分低 導(dǎo)電性良好 高溫下不熔融、不變形 耐熱性好 耐腐蝕性強(qiáng) 石墨電極主要用于電弧煉鋼爐、礦熱電爐和電阻爐。煉鋼用石墨電極占 石墨電極總用量的70%80%，還可用于加工各種坩堝，石墨舟、皿，熱壓鑄 模和真空電爐加熱體等。 電爐煉鋼是通過石墨電極向煉鋼爐中導(dǎo)入電流，爐中電極下方的空氣發(fā)生 電離，形成電弧放電，利用電弧產(chǎn)生的熱量來進(jìn)行冶煉。 1.4.1 石墨電極在煉鋼中的消耗石墨電極在煉鋼中的消耗 石墨電極的消耗約占電弧爐煉鋼成本的

48、10%。石墨電極隨煉鋼過程的進(jìn)行 會(huì)逐漸被消耗掉。 石墨電極石墨電極 的損耗的損耗 弧光消耗，弧光消耗，也稱蒸發(fā)消耗。是由于電弧溫度過高導(dǎo)致的電極 端部持續(xù)消耗。這種消耗約占正常消耗的40%，與電流的平 方成正比而與電極直徑無關(guān)。 化學(xué)消耗，化學(xué)消耗，指電極與鋼渣中的鐵、鈣、錳等氧化物作用或與 鋼水中的鐵反應(yīng)而被消耗。其與廢鋼質(zhì)量、冶煉鋼種及電極 直徑有關(guān)。 氧化消耗，氧化消耗，指主要發(fā)生在側(cè)部與煉鋼過程中的氧、水氣反應(yīng) 而產(chǎn)生的消耗。氧化消耗加上電極側(cè)部的炭顆粒剝落占正常 消耗的50%60%。它與爐內(nèi)氣氛，氣體溫度、流速有關(guān)，其 中氣體流速影響最大。 非正常消耗，非正常消耗，包括機(jī)械、人為電

49、極折斷，接頭脫扣、扣內(nèi)嚴(yán) 重氧化及接頭膨脹將電極脹裂等。 1.4.2 電極質(zhì)量對(duì)電極消耗的影響電極質(zhì)量對(duì)電極消耗的影響 電極質(zhì)量對(duì)電極電極質(zhì)量對(duì)電極 消耗的影響消耗的影響 電阻率與電極消耗，電阻率與電極消耗，電極消耗隨電阻率增大而增加。電阻率 增大，電極溫度升高，氧化加快。 電極石墨化程度與電極消耗，電極石墨化程度與電極消耗，石墨化程度越高，抗氧化性越 好，電極消耗就小。 體積密度與電極消耗，體積密度與電極消耗，體積密度影響石墨電極的機(jī)械強(qiáng)度、 彈性模量、導(dǎo)熱率、電阻率和氣孔率，故其對(duì)電極消耗有直 接影響。 力學(xué)強(qiáng)度與電極消耗，力學(xué)強(qiáng)度與電極消耗，石墨電極在使用過程中除受到自重和 外力外，還承

50、受切向、軸向及徑向熱應(yīng)力。一般隨抗壓強(qiáng)度 增加，抗熱應(yīng)力的能力強(qiáng)，故電極損耗下降。但太高的抗壓 強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致膨脹系數(shù)增高。 接頭質(zhì)量與電極消耗，接頭質(zhì)量與電極消耗，接頭是電極的薄弱環(huán)節(jié)，它比電極本 體更容易損壞，導(dǎo)致非正常消耗量的增加。 接頭損壞的形式：接頭損壞的形式：電極絲底斷裂、接頭中間斷裂、接頭松動(dòng)脫落、電極與 接頭連接不緊密、電極與接頭熱膨脹系數(shù)不匹配等。 電阻率與電極消耗關(guān)系 電極體積密度與消耗的關(guān)系 1.4.3 普通石墨電極的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)普通石墨電極的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 我國石墨電極的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（參照 GB 307282） 普通石墨電極使用時(shí)的允許電流負(fù)荷 1.4.4 高功率和超高功率電極高功率和超高功率電極 高功率和超高功率電極用于大功率、高電壓和短電弧的高功率和超高功率 電爐。原料采用針狀焦，與普通石墨電極生產(chǎn)工藝相比，其采用了多次浸漬的 工藝，提高石墨化溫度，改進(jìn)黏結(jié)劑和浸漬劑等工藝