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石墨粉是一种矿藏粉末,首要成分为碳单质,质软,黑灰色;有油腻感,可污染纸张。硬度为1~2,沿笔直方向随杂质的添加其硬度可增至3~5。比重为1.9~2.3。在阻隔氧气条件下,其熔点在3000℃以上,是最耐温的矿藏之一。常温下石墨粉的化学性质比较安稳,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂;资料具有耐高温导电功能,可做耐火资料,导电资料,耐磨光滑资料。
不同高温下与氧反响,生成二氧化碳一氧化碳;在卤素中只需氟能与单质碳直接反响;在加热下,石墨粉较易被酸氧化;在高温下,还能与许多金属反响,生成金属碳化物,在高温下能够锻炼金属。
石墨粉是化学反响很活络的物质,在不同的环境里边他的电阻率都会变,也便是他的电阻值会变,但有一点是不会变的,石墨粉是很好的非金属导电物质之一,只需在绝缘的物体里边确保石墨粉不间断,像一条细线那样也会通电的,可是,电阻值是多少,这个数值也没一个精确的数,因为石墨粉的粗细不一样,用在不同的资料和环境石墨粉电阻值也会不一样。石墨因为其特别结构,而具有如下特别性质:
1) 耐高温型:石墨的熔点为3850±50℃,沸点为4250℃,即便经超高温电弧灼烧,重量的丢失很小,热膨胀系数也很小。石墨强度随温度进步而加强,在2000℃时,石墨强度进步一倍。
2) 导电、导热性:石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超越钢、铁、铅等金属资料。导热系数随温度升高而下降,甚至在极高的温度下,石墨成绝热体。
6) 抗热震性:石墨在常温下运用时能饱尝住温度的剧烈改变而不致损坏,温度骤变时,石墨的体积改变不大,不会产生裂纹。
1、作耐火资料: 石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质,在冶金工业中首要用来制作石墨坩埚,在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂,冶金炉的内衬。
2、作导电资料: 在电气工业上用作制作电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极,石墨垫圈、电话零件,电视机显像管的涂层等。
3、作耐磨光滑资料: 石墨在机械工业中常作为光滑剂。光滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下运用,而石墨耐磨资料能够在(一) 200~2000 ℃温度中在很高的滑动速度下,不必光滑油作业。许多运送腐蚀介质的设备,广泛选用石墨资料制成活塞杯,密封圈和轴承,它们作业时勿需参加光滑油。石墨乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的杰出的光滑剂。
高纯亚微米石墨粒子有着非常广泛的使用范畴:电子信息的显像管、显示器制作职业的黑底导电涂料、由液晶显示构成的设备、传感器及色分解器上选用的感光性黑色涂膜、平板显示器中五颜六色液晶等离子三原色境地部分用于进步发射效果及采色比照度、超细钨、钼丝拉制等各种涂料,高级光滑油及光滑脂制作业、高功能蓄电池用泡沫铁镍制作业以及感光胶片等许多职业广泛使用高纯亚微米石墨粒子。
高纯石墨超微细粉有胶体石墨粉,首要使用于钢笔专用、粉末冶金专用、光滑油专用、光滑脂专用、干电池专用、导电涂料专用、光滑涂料专用、国防科工委、科研机构的科学研讨、民用核电专用、航天航空专用及战略性电力搅扰兵器、烟幕屏蔽兵器的研制等,我国出产的胶体石墨粉是我国石墨职业的开展职业标兵,部分技能已达国际领先水平。
格兰粉(密封防粘脂)功能与用处:耐高温3000摄氏度,耐高压40KG,用于船只、飞机、机车、姿色、工程机械及各种大型石油、化工、电业机械的金属结合面、法兰联接部位的密封与防粘。
特种石墨涂料:水基石墨涂料、导电石墨涂料、溶积石墨涂料、表里石墨涂料、拉丝石墨涂料、光滑石墨涂料、玻纤涂料、电视机石墨涂料及特种涂料、各种非金属资料、纳米级资料出产工艺、设计方案。处理各种防腐设备,接受各种防腐设备处理。种类多样,标准完全,产品履行《中华人民共和国国家标准》。 专用机械设计制作各种精密化工设备、各种磨机及配方工艺。
石墨具有杰出的化学安稳性。通过特别加工的石墨,具有耐腐蚀、导热性好,浸透率低一级特色,就许多用于制作热交换器,反响槽、凝缩器、焚烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛使用于石油化工、湿法冶金、酸碱出产、合成纤维、造纸等工业部门,可节约许多的金属资料。
作铸造、翻砂、压模及高温冶金资料: 因为石墨的热膨胀系数小,而且本领急冷急热的改变,可作为玻璃器的铸模,运用石墨后黑色金属得到铸件承上启下精确,外表光洁成品率高,不经加工或稍作加工就可运用,因而节约了许多金属。出产硬质合金等粉末冶金工艺,通常用石墨资料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的晶体生长坩埚,区域精粹容器,支架夹具,感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。此外石墨还可作真空锻炼的石墨隔热板和底座,高温电阻炉炉管,棒、板、格棚等元件。
石墨还能避免锅炉结垢,有关单位实验标明,在水中参加必定量的石墨粉(每吨水大约用4~5 克)能避免锅炉外表结垢。此外石墨涂在金属烟囱、房顶、桥梁、管道上能够防腐防锈。
石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。石墨通过特别加工往后,能够制作各种特别资料用于有关工业部门。
此外,石墨仍是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂,是制作铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人工金刚石、钻石不行短少的质料。它是一种很好的节能环保资料,美国已用它做为姿色电池。跟着现代科学技能和工业的开展,石墨的使用范畴还在不断拓展,已成为高科技范畴中新式复合资料的重要质料,在国民经济中具有重要的效果。
用于原子能工业和国防工业: 石墨具有杰出的中子减速剂用于原子反响堆中,铀一石墨反响堆是使用较多的一种原子反响堆。作为动力用的原子能反响堆中的减速资料应当具有高熔点,安稳,耐腐蚀的功能,石墨完全能够满意上述要求。作为原子反响堆用的石墨纯度要求很高,杂质含量不该超越几十个PPM 。特别是其间硼含量应少于0.5PPM 。在国防工业中还用石墨制作固体燃料火箭的喷嘴,导弹的鼻锥,国际飞行设备的零件,隔热资料和防射线资料。
一般橡胶是绝缘的,假设需求导电那么就需求添加导电物质,石墨粉具有优胜的导电性和光滑脱模性。把石墨加工成石墨粉,具有优秀的光滑,导电功能,石墨粉的纯度越高,导电功能越好。许多特种橡胶制品厂需求导电橡胶,那么用石墨粉添加到橡胶里边能够导电吗?答案是能够的,可是也有一个问题,石墨粉在橡胶中的份额是多少呢?有的企业用的份额是不超越30%,这类的是在耐磨橡胶产品上面的,像姿色轮胎等等,也有特种橡胶厂的份额是100%,这样的才会导电,导电的基本原则是导电体不能中止,就像一根电线,假设中心断了那么也就不会通电了,导电橡胶里边的导电石墨粉便是导体,假设石墨粉被绝缘的橡胶隔断了,那么也就不导电了,所以石墨粉份额少了导电的效果恐怕也欠好。
石墨体内存在温度梯度时,热量从高温处向低温处的活动。表征石墨导热才能的参数是热导率。热导率入是单位时刻内、单位面积上通过的热量q(暖流密度)与温度梯度grad T之间的份额系数。
(1)式中负号标明暖流方向与温度梯度方向相反。式(1)常称为热传导的傅里叶规则。假设笔直于x轴方向的截面积为ΔS,资料沿x轴方向温度梯度为dT/dx,在Δτ时刻内,沿x轴正方向流过ΔS截面的热量为ΔQ,在安稳传热状况下,式(1)具有如下的方式:
(2)热导率的法定单位是W·m·K。关于不安稳传热进程,即物体内遍地温度随时刻而改变。与外界无热交换,自身存在温度梯度的物体,跟着时刻的推移,温度梯度会趋于零,即热端温度不断下降和冷端温度不断升高,终究到达共同的平衡温度。在这种不安稳传热进程中,物体内单位面积上温度随时问的改变率为:
(3)式中τ为时刻,ρ为密度,cp为质量定压热容。λ/ρcp常称为石墨的热扩散率或导温系数,常用单位为cm/s。
热传导是通过导热载体的运动来完成的。石墨的导热载体有电子、声子(晶格振荡波)、光子等。石墨的热导率可标明为各种导热载体的奉献的迭加:
(4)式中vi、li、ci分别为导热载体i的运动速度、平均自由程和单位体积的比热容。石墨的各种导热载体之间又彼此效果、彼此限制。例如不同频率的声子之间相互磕碰、产生散射,声子与晶界、点阵缺点和杂质之间也产生散射,影响其平均自由程。因而,石墨的热传导是一个极为杂乱的物理进程。理论上精确猜测各种石墨的热导率数值及其随温度的改变,尽管有过长时间的艰苦作业,但仅取得了有限的成果。粗略地说,在常温文不太高的温度下(小于2000K),声子热导率占压倒优势,电子及光子的热导能够疏忽不计。在极低温度下(小于10K)电子热导才占有必定的重量。光子热导要在很高的温度下(2000K以上)才开端呈现。石墨的热导率随其电导率的增大而升高(见威德曼·弗朗兹规则)。
纯洁的天然鳞片石墨、高定向热解石墨,这些石墨晶体,缺点较少而且承上启下较大,一般能够为是较完善的石墨单晶。对这类石墨的热导有过适当多的研讨。在压应力下,通过3000K以上处理的热解石墨,其体积密度为2.25g/cm,挨近单晶的理论密度2.266g/cm,其(002)衍射峰半宽角展只需0.4°(镶嵌角),也非常挨近于理论值零度。这种石墨的热导率见表1。这些数值一般以为可代表单晶石墨的相应数值。沿两个主方向的热导率:沿层面的记为λa,沿笔直于层面的则记为λc。
在常温下λa比λc大200倍左右。温度升高,这个比值有所下降,但仍然很大。所以由微晶组成的多晶石墨,其热导为微晶层面热导率λa所操控,λc简直可不予考虑。天然鳞片石墨的λa在常温下为280~500W/(m·K)之间,比值λa/λc在3~5之间,可见其晶体的完善程度远不如高定向热解石墨。
晶体结构高度规整的热解石墨,La在2000nm以上,由低温到高温,其导热率随温度的改变呈钟罩形。
式中b约等于2,θλ有时称做德拜温度,但与表征热容的德拜温度不同(见炭质资料和石墨资料的热容)。在温度远高于θλ时,则有
按式(5),在低温下,λa随温度T的增高而上升;按式(6),在高温下,λa则随温度的增高而下降。在低温文高温之间,(5)、(6)两式都起效果,在这两种效果相互对抗时,λa到达最大值。这便是构成钟罩形曲线的原因。
λ=γρcVvl (7)式中ρ为密度,cV为质量定容热容,v为声子传播速度,l 为声子两次散射或磕碰之间的平均自由程,γ为份额系数。在低温下,l的巨细由晶界散射所限制,l的巨细与微晶的承上启下适当。所以λa~T曲线峰值的高度和方位为石墨晶体的承上启下(微晶a向直径La)所操控。热解石墨的退火温度越高,晶体越完善,La随之增大,因而热导率λa增高,峰值增大,峰位向低温侧移动。
两种石墨晶体,晶粒a向直径分别为La.1和La.2,热导率峰位分别为Tm.1和Tm.2,这些参数之间有如下联系:
(8)供给了一种由热导率数据预算La的办法。由这种办法得到的La数值与由X光衍射法的大体适当。
晶体两个主方向的热导率为λa和λc,沿任一方向Ф的热导率为λФ,Ф为这一方向与晶轴c的交角,有
式(9)pT形象地用以长径为旋转轴的一个旋转椭球来标明。椭球的半长径为λc,半短径为λa。这一椭球称为石墨的热导椭球。在任一方向的热导率λФ,可由椭球在该方向上的半径γФ来标明:
多晶石墨的热导率为许多要素所左右:骨料与黏结剂的种类和配比、成型条件、热处理温度等制作工艺有明显的影响;微晶的承上启下与散布、孔隙的数量和形状等结构要素,其影响尤为杰出。不同石墨种类之间,热导率千差万别,即便同一种石墨,不同批次之间也有适当大的差异。影响要素虽多,但操控热导率的基本规则不变。在以声子热导为主的温度区界内,仍为式(7)所标明的规则所操控。
多晶石墨由许多的微晶组成。多晶石墨的热导通过微晶的层面传递(a向热导),因为微晶的λa比λc约大两个数量级,c向热导可疏忽而不计。在中等温度下,微晶的λa首要为两种散射进程所操控:1.晶界散射所操控的热导λB,微晶承上启下La越大,λB越大。2.声子间相互磕碰引起的散射所操控的热导λu,温度越高,这种散射越激烈,λu随温度的增高而减小。λa、λB、λu之间有如下联系:
(15)在任一方向(x方向)的热导率λx取决于多晶石墨中微晶的取向和散布。因为热量传递的途径曲折曲折,微晶之间还或许存在非晶态及不完善的晶态炭素物质,过渡性炭素物质,λx与λa之间的联系中应列入一个大摇大摆系数αx,即:
(16)由理论剖析,λu随温度的改变数据列在表3中。再把不同温度下热导率的实测数据与理论式(16)比较,即可得到λB和αx。对一种揉捏成型的核石墨PGA和模压成型的ZTA石墨,其热导率的实测值与核算值的比照标明在表3上。
石墨晶体热导率的理论,非常冗杂,依托核算机的协助取得了不少开展,但还有不少问题有待进一步的评论。兹仅以无缺点抱负石墨晶体的层面热导率λa为例,把晶格振荡波加以量子化,形象地把振荡波称为声子,振荡波是向量,可称为波矢。波矢的能量和状况是晶体倒易点阵的函数。整个晶体的倒易点阵可用一个小区域来代表;这一区域叫做布里渊区。只需把声子在这一区域内的能量和状况搞清楚,声子在整个晶体内的状况也就一目了然了。
石墨晶体的布里渊区是一个六角棱柱体。假设只评论石墨晶体层面的热导率,作为一种简化模型,只评论声子在正六角形面上的运动状况就够了。这种二维状况使问题大为简化,处理较为便利。用n代表波数,在[nx,ny]平面上,六角形截面的面积,可用一个半径为nm的圆面来代表,由此得出公式(11),式(11)中a是石墨一个晶格参数,a=0.246×10cm。nm便是声子振荡的最大波数,即声子在单位长度上的振荡次数。声子运动速度v与波数n的乘积是声子的频率,声子的能量与频率成正比。声子的最大角频率wm=2πvnm,而2πnm称为最大角波数,常记为qm。qm=1.55X10cm。
把声子的运动状况加以分类,每一类称为一个声子分支,每一分支给予一个代号。在布里渊区的正六角形层面上有好几个声子分支,首要的有3个:纵向分支,最大频率为37THz,速度为vL=2.36×10cm/s;2.TA,横向分支,最大频率为25THz,速度为vT=1.59X10cm/s;3.低TA分支,又称为曲折振荡分支,最大频率为14THz,速度为vb=0.53×10cm/s。此外还有折叠LA分支、横向光学分支TO等,这些非首要分支的频率都低于4THz,而且与其他分支产生激烈的彼此效果,因而小于4THz,即角频率小于wc=2.5×10S的这些分支,在热量传输中不起什么效果,能够疏忽不计。wc称为声子角频率下限。低TA分支的速度与LA、TA比较低许多,也可不予考虑。在这种大为简化的状况下,只考虑LA、TA这两个分支,而且只考虑热导,不触及热容。这便是所谓二维声子气模型。由此可定义一个德拜速度vD:
(12)由以上罗列的数据得到:德拜速度vD=1.86×10cm/s,声子最大角频率wm=vDDqm=2.88x10s。
(13)式中ρ为抱负石墨晶体的密度2.266g/cm,γ为格林爱森系数(见石墨的热容),可取γ=2,由此得到
此式简捷明晰,又明显为式(6)的T联系供给了理论依据。由此式算得的热导率与高度完善的高定向热解石墨实测数值的比照见表2。
实测值与理论值大体相适应,由非常简化的理论模型得到的成果居然与实践契合得如此之好。两者之比平均为0.94,这标明即便如此的石墨晶体,其完善程度与抱负晶体比较仍有不足之处。
揉捏成型的宇航石墨ATJ–S,密度为1.84g/cm³,以及各向同性的细颗粒高密度石墨,密度达2.0g/cmHDG和HDFG(用短纤维增强的HDG)都是高热导多晶石墨。
早在19世纪中叶,闻名物理学家、电磁波理论的创始人J.C.麦克斯韦(Maxwell)。在其名著《电磁波理论》(1873)中就指出:对含有孔隙的资料,设孔隙是以等径小球的形状均匀涣散在资猜中,资料的传导率(电导或热导),从理论上可由下式核算:
式中P为孔隙率,λ0为无孔(P=0)时的热导率。此式具有历史意义。关于石墨,孔隙并非呈球状,更非等径,此式当然不适用。但它标明孔隙率越大(即密度越小),热导率越小。这必定性粗俗却正确无误。一种揉捏成型的、通过不同浸渍处理的核石墨,在常温下,其热导率λ∥随孔隙率的改变契合如下联系:
多晶石墨大多是由焙烧毛坯经高温热处理制成,热处理温度越高,微晶的发育越完善,La增大,热导率也随之增大。用煅后石油针状焦及中温煤沥青,经揉捏成型做成的焙烧小棒,经不同热处理(HTT)后,其La的数值见表4。热导率的倒数1/λ称为热阻。也是用石油焦和中温煤沥青做成的另一种揉捏石墨。
又称为导温系数,α=λ/ρcp。(见式(3))。它表征资料在加热或冷却进程中,各部分温度趋向于共同的才能;是在不安稳传热进程中,阐明温度改变速度的一个特性参数。资料的导温系数越高,资料内部温度的传播速度越大,资料内的温差就越小。一种高密度,ρ=1.81g/cm³、各向同性细颗粒石墨EK–98。
石墨资料的各向异性在热导上表现为沿平行对称轴方向的热导率λ∥与沿笔直方向的热导率λ⊥的差异上。一般,对揉捏石墨λ∥λ⊥,把λ∥/λ⊥这一比值称为热导异向度;对模压石墨,λ⊥λ∥,则把比值λ⊥/λ∥称为热导异向度;即异向度最小为1(同向性)。设沿石墨对称轴oz的取向参数为Roz,平行与笔直方向的大摇大摆参数为γ∥和γ⊥(见石墨的各向异性)则有:
这便是闻名的由热导率数据计算取向参数的表达式。例如,对核石墨PGA,由惯例的X光衍射法测得的R为0.78,由热导率数据得到的则为0.77,两者契合甚好。
估计未来十年间,只需整个商场足以支撑,矿业挖掘和扩大成功的话,石墨粉的产能将持续呈添加态势。新增的石墨产能,将补偿当时因为工程失误导致采矿终致而丢失的10万吨鳞片石墨的产能。据业内人士剖析,全球石墨产品研制将在十大范畴打开。一起,在原国家建材局拟定的作为国际最大的石墨出产国,我国的产值占国际总产值的40%~50%。国际的第二出产国印度,在曩昔的十多年间,石墨产值占到了15%左右。其他出产国有巴西(7%),墨西哥(6%),朝鲜(占6%)。上述五国的石墨产值总和占到了国际总产值的75%以上。
假设往后国际石墨商场环境持续朝着有利的方向开展,石墨产值还会添加,尤其是巴西、加拿大、中、印度和墨西哥。总量有望添加120000吨。“十五”规划中提出了石墨深加工的方向的引导下,往后五年我国要点开展的石墨深加工产品是异型碳、氟化石墨、渗硅石墨、显像管石墨乳、锂离子电池、碳资料、燃料电池碳资料等。
此外,我国石墨深加工产品的出产目 前尚有较大空白,开发作业大有作为。比方,国际上有1000个核电站,我国目 前只需三个,而国家规划将建23个,其所用的核纯石墨基本上悉数依靠进口。
1、高功能密封件及制品,国际有100亿美元的交易额,最高级的核反用石墨产品120万美元/吨。该产品中有四个关键技能,刺进技能、膨化硫技能、复合增强技能,成型技能。
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