碳及石墨材料

關(guān)于碳及石墨材料第1頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三人造石墨材料人造石墨的介紹：人造石墨顧名思義就是人工制造的石墨

石墨在工業(yè)上運(yùn)用極廣，幾乎每個(gè)行業(yè)都會(huì)用到。工業(yè)上多用的是人造石墨。

人造石墨本身具有導(dǎo)熱好，導(dǎo)電好，純度高，易加工，耐腐蝕，高溫下強(qiáng)度高，自潤(rùn)滑性好等優(yōu)異的特點(diǎn)，目前被廣泛的應(yīng)用在半導(dǎo)體，太陽(yáng)能，粉末冶金，真空熱處理，電氣電工等領(lǐng)域，主要用作加熱元器件，承載盤(pán)，爐內(nèi)組件等。第2頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三制造人造石墨的方法有很多種，常見(jiàn)的是，以主要原料是粉狀的優(yōu)質(zhì)煅燒石油焦，在其中加瀝青作為粘結(jié)劑，再加入少量其他輔料。各種原材料配合好以后，將其壓制成形，然后在2500～3000℃、非氧化性氣氛中處理，使之石墨化

人造石墨制備方法第3頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三用途

人造石墨主要用途：

人造石墨在工業(yè)上用途很廣，用于制作冶煉上的高溫坩堝、機(jī)械工業(yè)的潤(rùn)滑劑、制作電極和鉛筆芯；廣泛用于冶金工業(yè)的高級(jí)耐火材料與涂料、軍事工業(yè)火工材料安定劑、輕工業(yè)的鉛筆芯、電氣工業(yè)的碳刷、電池工業(yè)的電極、化肥工業(yè)催化劑等。第4頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三人造石墨的工作原理人造石墨是典型的層狀結(jié)構(gòu)，碳原子成層排列，每個(gè)碳與相鄰的碳之間等距相連，每一層中的碳按六方環(huán)狀排列，上下相鄰層的碳六方環(huán)通過(guò)平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu)，位移的方位和距離不同就導(dǎo)致不同的多型結(jié)構(gòu)。上下兩層的碳原子之間距離比同一層內(nèi)的碳之間的距離大得多（層內(nèi)C-C間距=0.142nm，層間C-C間距=0.340nm）。第5頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三人造石墨的形態(tài)：

單晶體常呈片狀或板狀，但完整的很少見(jiàn)。集合體通常為鱗片狀，塊狀和土狀人造石墨的成因和產(chǎn)狀：

人造石墨是在高溫下形成。分布最廣是石墨的變質(zhì)礦床，系由富含有機(jī)質(zhì)或碳質(zhì)的沉積巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而成第6頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三多孔炭材料簡(jiǎn)介概念

所謂多孔炭材料是指具有不同孔結(jié)構(gòu)的碳素材料,其孔大小從具有相當(dāng)于分子大小的納米級(jí)超細(xì)微孔直到適于微生物增殖及活動(dòng)的微米級(jí)細(xì)孔。優(yōu)點(diǎn)低密度、低的熱膨脹系數(shù)、高的熱導(dǎo)率、耐腐蝕、高強(qiáng)度、抗氧化、易加工。第7頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三20世紀(jì)90年代以前的炭泡沫基本上是以樹(shù)脂為前驅(qū)體。而到90年代出現(xiàn)了新一代炭泡沫，其研究方向主要集中于用瀝青和煤作為前驅(qū)體替代樹(shù)脂制備炭泡沫。炭泡沫的結(jié)構(gòu)和性能具有很大的開(kāi)孔和棱柱，棱柱相互交聯(lián)構(gòu)成五邊形的十二面體，其炭形態(tài)為難石墨化的玻璃態(tài)炭，因此具有低的密度，較低的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的絕熱性能。樹(shù)脂基炭泡沫選自陳峰，張紅波，熊翔，閏志巧.炭泡沫的制備、性能及應(yīng)用，材料導(dǎo)報(bào)，2008,3(22)第8頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三結(jié)構(gòu)：存在大量分布均勻的球形開(kāi)孔和少量的球形閉孔，孔徑為200--40微米，氣壁上有一定數(shù)量的微裂紋(M)和與其它氣孔相交聯(lián)而形成的二次孔(P2)，氣孔之間由石墨韌帶(L)相連。石墨韌帶中的石墨微晶順著氣孔壁的平行方向，沿韌帶的軸向呈線性排列。中間相瀝青炭泡沫第9頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三性能：對(duì)于單個(gè)組元，由于韌帶中石墨微晶呈線性排列而表現(xiàn)為各向異性；而對(duì)于炭泡沫整體，由于整體的均勻性而表現(xiàn)為各向同性。因此中間相瀝青基炭泡沫的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能都呈現(xiàn)出微觀上各向異性，宏觀上各向同性的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理的中間相瀝青基炭泡沫的抗壓強(qiáng)度可達(dá)30～35MPa，用作結(jié)構(gòu)材料。此外，中間相瀝青基炭泡沫還具有優(yōu)異的耐火性、熱穩(wěn)定性、吸能吸波性等。第10頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三加熱條件對(duì)炭泡沫結(jié)構(gòu)和性能的影響炭泡沫由中間相瀝青自發(fā)泡法制得，在N2環(huán)境下加壓至2.0MPa、4.0MPa、6.0MPa，當(dāng)加熱至軟化溫度后再以恒定的速度加熱至最終石墨化溫度。兩組試樣：A—在石墨化溫度保溫15minB—在軟化溫度和石墨化溫度分別保溫1h選自WANGYong-gang,MINZhen-hua,CAOMin,XUDe-ping，Effectofheatingconditionsonporestructureandper-formanceofcarbonfoams，NewCarbonMaterials,2009,24(4):321–326.第11頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三試樣的SEM顯微結(jié)構(gòu)圖第12頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三孔徑大小和分布(a)(b)(a)圖表明：同樣的溫度條件下，隨著壓力增大，平均孔隙直徑減小，且B組試樣的孔徑較A大。隨著壓力增大，A、B之間的差異減小，因?yàn)樵诟邏合聣毫κ怯绊懣讖降闹鲗?dǎo)因素。(b)圖表明：隨著壓力增大，A組試樣孔徑變化不明顯，B組孔徑減小。且B組孔徑分布范圍廣。第13頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三孔隙度和體積密度(c)(d)同樣的溫度條件下，壓力升高孔隙率降低；同樣的壓力條件下，B的孔隙率高于A，而體積密度低于A。第14頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱導(dǎo)率和比熱導(dǎo)率隨著壓力增加，熱導(dǎo)率、比導(dǎo)熱率均下降，B組下降更明顯。在同樣的壓力條件下，B組比導(dǎo)熱率較高，最高可達(dá)210W/m·K?？傻贸?，較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可制得高導(dǎo)熱率的炭泡沫。(e)(f)第15頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三由圖(g),002峰狹窄且不對(duì)稱(chēng)，表明石墨結(jié)構(gòu)的高度有序性，最低的層間距是0.33556nm，接近純石墨，低于多數(shù)高性能的瀝青基炭纖維。隨著層間距的降低，炭泡沫的熱導(dǎo)率明顯升高。由圖(h)可知，隨著壓力升高，層間距加大，且B組層間距低于A組。表明較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可以制得高熱導(dǎo)率的炭泡沫。(g)(h)石墨泡沫的衍射圖樣和層間距圖第16頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三結(jié)論較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可以制得孔隙率高、孔隙大、低體積密度的炭泡沫，但較短的反應(yīng)時(shí)間制得的炭泡沫孔隙小且均勻。在2800°C石墨化后，隨著層間距的減小，導(dǎo)熱率增加，而較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可以制得高導(dǎo)熱率和低層間距的石墨泡沫。第17頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三硬質(zhì)炭材料硬質(zhì)碳是指難以被石墨化的碳，是高分子聚合物的熱分解。將具有特殊結(jié)構(gòu)的交聯(lián)樹(shù)脂在1000℃左右熱分解可得硬碳。這類(lèi)碳在2500℃以上的高溫也難以石墨化，常見(jiàn)的硬碳有樹(shù)脂碳、和炭黑等。第18頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三研究發(fā)現(xiàn)，硬碳材料均具有很高的可逆比容量，一般為500--700mAH。低或非石墨化的硬碳也是動(dòng)力型鋰離子電池的負(fù)極材料，硬碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)，且碳鋰電位能夠高于0.2V，安全性能更好。可以克服石墨化炭充電成鋰化石墨反應(yīng)活性性高，一旦發(fā)生內(nèi)短會(huì)引起嚴(yán)重放熱反變，產(chǎn)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。硬碳還存在放電電壓隨容量變化大,且首次充放電效率低于石墨化碳等問(wèn)題?，F(xiàn)在對(duì)硬碳材料的改性研究是提高硬碳作為負(fù)極鋰離子電池材料的重要途徑之一。第19頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三一種硬碳材料的制備方法

其包括下述步驟：①將高分子聚合物與交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)和聚合反應(yīng)，得交聯(lián)聚合物；②粉碎篩分；③在惰性氣體保護(hù)下，于400～600℃進(jìn)行預(yù)炭化處理，降溫至室溫，粉碎篩分；④在惰性氣體保護(hù)下，于1000～1600℃進(jìn)行炭化處理第20頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三各品種炭黑的用途N220適用于各種橡膠，耐磨性比N330高10％-20％，能賦予膠粒膠高的拉伸強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度，并有一定的導(dǎo)電性。主要用于載重胎、乘用胎的胎面膠，及需要高強(qiáng)度、高耐磨的橡膠制品。N234耐磨性比N220約高10％，在高苛刻度下使用，更能顯示出良好的耐磨性能。主要用于高速輪胎面膠和高質(zhì)量的橡膠制品。N326在天然橡膠中具有較高的拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、耐磨性及抗蹦裂性能。主要用于要求強(qiáng)度高、生熱低的輪胎(包括越野胎)胎面膠，也適用于輸送帶、密封制品及其他高質(zhì)量橡膠工業(yè)制品。N330是一種補(bǔ)強(qiáng)性能良好的炭黑，能賦予膠粒較好的強(qiáng)伸性能、抗撕裂性能、耐磨性和彈性。主要用于輪胎胎面、簾布膠、胎側(cè)及各種橡膠工業(yè)制品。第21頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三N339在胎面膠料中的補(bǔ)強(qiáng)性能、耐磨性能及抗裂口增長(zhǎng)性能近于N220炭黑，特別適用于丁苯橡膠與順丁膠并用體系。主要用于乘用胎、卡車(chē)胎胎面膠，輸送帶、膠管及各種要求耐磨性高的橡膠工業(yè)制品。N375與N339性能基本相同，生熱比N339稍低。主要用于