碳素材料

化学术语

碳素材料，按其原子在结构中排列不同，碳有三种同素异形体，即金刚石、石墨和无定形碳，它们的物理性能、化学性质及用途也各不相同。

同素异形体

1、金刚石：是所知自然界中最硬的物质，其晶体构造基本上为面心立方格子，每个碳原子都被周围四个碳原子所围绕，以共价键相连，强度高，莫氏硬度为10，所以通常用作切削、磨削和切割材料。当金刚石中含有微量杂质时，有半导体的性能，可以做高温整流器或固体微波器件等。

天然金刚石又是贵重宝石(金刚钻)。金刚石分为Ⅰ型、Ⅱ型和六方型三种。Ⅰ型的杂质含量较高，其中氮的含量在0.0025%～0.2%，绝大多数天然金刚石属此型。Ⅱ 型是极纯的金刚石，结晶完整，氮的含量少于0.001%，导热性良好，具有半导体性能。天然金刚石中1%～2%属此型。用特殊的人工方法（如超高压高温法）可以将非金刚石结构的碳转化为金刚石，即人造金刚石。

2、石墨：碳原子以四配位多面体组成网层，网层之间以分子键联结，形成六方晶片。石墨是特殊的无机非金属材料，兼有金属和塑料的性能和其他一系列特性，在冶金、化工、电力和电子、机械、纺织和原子能等工业部门获得广泛应用。

石墨的用途与其性质密切关联。

①耐高温、热稳定性良好，在3600℃下也不熔化，因此用作冶金工业中坩埚（见彩图）、炉内的耐火材料等。

②有良好的导热和导电性（比不锈钢高4倍）,导电系数随温度升高而降低。用来制造电极、电刷、碳棒、换热器、冷却器等。

③化学稳定性好，能耐酸、碱和有机介质的侵蚀，普遍用以制造酸碱工业、石油化工、纺织、造纸等工业的换热器、燃烧塔、反应槽、冷却器、吸收塔、泵和加热器等。

④润滑性能与二硫化钼相近，耐磨，摩擦系数小于0.1,可在-200～2000℃和100m/s转速下使用，用来制作密封圈和轴承时，不用加润滑剂。

⑤可塑性好，能延展成透光、透气的薄片。

⑥有良好的中子减速性，用做原子反应堆中减速材料。此外，还用做固体燃料火箭中的喷嘴、航天设备的零件、隔热和防射线材料。石墨最大的缺点是在高温下易氧化，需要在保护气氛下使用。

石墨矿有晶质和隐晶质之分。晶质石墨矿有致密结晶和鳞片结晶两种，前者晶粒大于0.1mm,含碳量在60%～65%，甚至高达80%～90%，但可塑性、可浮选性差。鳞片结晶石墨矿的品位虽低（3%～5%或10%～25%），但性能好。隐晶质石墨又称土状石墨,含碳量可高达90%以上，但性能差。世界上所产石墨半数为土状。

苏联是石墨矿储量和产量最大的国家。中国石墨资源也较丰富，多半是鳞片和隐晶石墨。由于石墨矿品位不高,需经选矿和提纯，常用的浮选法（石墨为疏水性）和重选法（石墨相对密度小，为1.9～2.3），可使成品中的含碳量达90%，有些制品还需采用化学提纯，使含碳量提高到97%～99%或高温提纯至99.9%。

3、无定形碳：碳原子排列无序，或构成的晶粒过小。煤、天然气、石油或其他有机物在1000℃左右碳化得到的无定形碳是多孔材料，其表面积很大。产品有炭黑、活性炭等。

发展方向

1、炭素材料和技术的推广

（1）煤系针状焦生产技术（提高单套装置能力）；（2）微孔炭块、半石墨质炭砖生产技术；（3）炭质中间相制备技术（100t/a先进电源负极材料）；（4）高功能电极生产技术（稳定接头质量）；（5）高温气冷堆专用炭及石墨材料；（6）高强高密（细结构）炭材生产技术；（7）热解炭制备及应用技术；

2、炭素材料和技术研究

（1）超高功率石墨电极（φ500、600、700毫米）生产技术；包括优质针状焦制备技术，优质沥青浸渍剂和粘结剂制备技术，内串石墨化工艺及装备开发和生产技术集成等。

（2）超微孔炭砖生产工艺，装备技术；

（3）聚丙烯腈素炭纤维制备技术；

（4）包括原丝及炭化级纤维适应性评价，高强中模（σb≥5GPa、E ≥250GPa）制备技术、石墨纤维（σb≥2．5GPa、E≥400GPa）制备技术；

（5）炭质中间相生产技术（>500t/a）；包括先进电池专用电极材料生产技术（电容量≥350mAh/g，能力>300t/a），自焙性炭质中间相生产技术（各向同性炭材的体积密度≥1．86g/立方厘米、能力>200t/a）和生产技术集成等。

（6）全炭人工心瓣生产技术；包括超低温沉积技术和加工装配技术。

（7）低成本中间相沥青炭纤维生产技术；包括低成本可纺中间相沥青生产和熔纺技术。

（8）大尺寸高强高密（细结构）炭材生产技术；包括主要装备配套及工艺稳定性。

3、炭素材料前沿材料和技术

（1）炭合金（功能、结构材料）制备技术；包括飞机制动炭－－炭系合金，炭－－陶瓷系抗氧化、抗辐照材料，特殊场合用炭－－金属系抗疲劳材料和电触头材料。

（2）纳米炭制备技术；炭母体形成超微米、纳米空间控制技术，超微米、纳米空间表征、功能评价

及纳米炭（管、球）的制备技术。

内部缺陷检测

碳素材料由于具有化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀及自润滑性、弹性模量低和导电良好等特性，广泛应用于国防科技、军工产品、航空航天和有色冶金等领域。无损检测技术是碳素材料能否有效和扩大应用的关键。与金属材料相比，碳素制品内部结构具有疏松、孔隙较多、晶粒粗大、密度不均和各向异性强等特点，使得反映其本质特征的确定性信息湮没在强动力学噪声中，检测信号的信噪比一般都较低，因而很难有效地将其内部缺陷检测出来。

国外工业发达国家已将无损检测和质量控制在碳素材料研究与应用方面进行了大量的投入，并取得了积极的结果。一些国家超声波检测碳制品质量结果表明，超声波在碳制品中的传播速度与碳制品气孔大小、材料体积密度和弹性模量密切相关，并取得了一些有规律的技术参数，将其应用于碳素制品质量检测，取得了可行性结论。但由于超声波在碳制品中的衰减比较复杂，所以对缺陷等的判断还要靠实践经验的总结和积累。还有一些国家采用声发射方法来检测，但声发射法要求碳素制品有外界激励，对非工作状态的碳素制品检测无能为力。据文献报道，美国开始使用X 射线对军用石墨块和碳/碳复合材料检验其内部裂纹和孔洞，经试验得知X 射线对厚度为300 mm 的石墨块的缺陷探测尺寸约为3 mm 。我国碳石墨制品生产厂对产品的X 射线检测研究较少，电碳行业也只有哈尔滨研究所和东新电碳厂作过这方面的探讨。对于大规格碳素制品内部深层隐含缺陷的探测与辨识的研究文献尚未见报道。如何加深对碳素材料内部规律和缺陷特征的认识，合理采用现代化的检测技术，稳定和提高碳制品质量，是一个重要的研究课题。

超声波检测

碳素制品晶粒粗大，内部易产生局部疏松、裂纹和孔洞等缺陷，超声波衰减相当严重，特别是同一尺寸同一制品的不同部位，超声波衰减亦不相同，给检测带来很大困难。利用美国泛美公司和武汉岩海公司的超声波探伤仪分别对40 mm ×40 mm ×40 mm的石墨和125 mm ×150 mm ×250 mm 的阴极碳块进行内部人工缺陷（1，2 和5 mm 的横通孔和盲孔）检测，探头发射频率为40 和100 kHz，0. 5 和1 MHz等，测试时分别采用自发自收和一发一收两种方式，接收到的超声波信号经A /D 转换后送入计算机。由于衰减严重，均未得到有意义的返回波形。因此，初步认为碳制品内部缺陷不宜采用超声脉冲回波法进行检测。

X 射线检测

是X 射线机的最大探测厚度可达500 mm，探伤灵敏度在2 %左右，配合机械自动传动机构还可实现连续批量检测，但无法检测尺寸过小的缺陷。与超声波检测法相比，X 射线检测费用高，需要专用场地。

声发射检测

声发射技术是物体在外力或内应力作用下，根据结构内部缺陷发出的应力波判断损伤程度的一种动态无损检测方法，能连续监测结构内部损伤的全过程，几乎不受材料的限制，但不能检测静止缺陷。因此，声发射检测可以用来对碳素制品内部缺陷进行实时动态检测，但对非加载状态的碳素制品内部缺陷的检测无能为力。

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