炭素工艺学——第一章炭和石墨范例.ppt

石墨的弹性模量与温度的关系 1—沥青焦基；2—石油焦基 同时，炭素材料的弹性模量随温度升高而增大。用石油焦或沥青焦制成的人造石墨在1800℃下的弹性模量相比于室温下，提高了40%~50%。 人造石墨的蠕变曲线 （2500℃，31 MPa） 人造石墨在不同温度下的蠕变进度 炭素材料的蠕变特性：对于弹性体而言，应力—应变在弹性极限内呈线性关系，对交变应力是可逆的；而炭素材料是非弹性体，其应力—应变呈非线性关系，即使在很小的应力作用下也会发生塑性变型，并且在2000℃以上存在明显的蠕变现象。 与石墨材料相比其他炭素材料的蠕变更大，且蠕变温度（1500℃）更低；炭素材料的蠕变也呈各向异性，一般平行于晶粒取向方向上蠕变小，垂直方向蠕变大。 1.1.3.3 石墨材料的摩擦性能 石墨材料既耐磨，又具有自润滑性。这是由于石墨晶体层间以分子键结合，易于剥离，在摩擦面上形成极薄的石墨晶体，使摩察系数显著降低。 石墨对各种材料的摩擦系数 石墨导热性好。实际应用中，材料的耐磨性能与滑动速度有关。滑动速度增加，会使摩擦面的温度增加，摩擦材料发生不可逆的额变化，从而导致耐磨性降低；但石墨材料具有良好的导热性，因而速度对摩擦系数和磨损率的影响很小，不会导致其耐磨性能降低。 石墨材料具有优异摩擦性能的原因 石墨具有自润滑性。石墨层与层之间结合力弱，易于相对滑动。当石墨在材料表面形成石墨薄层后，就成为石墨与石墨之间的摩擦。 石墨的自润滑性有赖于水和空气的存在。在水和空气存在的情况下，石墨工作面上吸附水和气体分子，增大了层间距，减弱层间作用力；另外水和气体分子占据了石墨边缘自由键的位置，这两个因素都使石墨两摩擦面不易附着。作为润滑材料的石墨制品，工作环境中水分临界值为5 g/m3，低于此值，石墨磨损率增大。 空气介质中，由于石墨氧化，在温度到达300~400℃时摩擦系数增高；而在中性或还原性介质中，即使温度达到300~1000℃也还保持良好的耐磨性。 1.1.4 炭素材料的热学性质 固体材料的热学性质实质上是固体材料晶格中原子热振动在各方面的表现。 1.1.4.1 热容、熵和焓 通常的晶体遵循杜隆-普帝定律，即在常温附近的比热容为2.09 KJ/(Kg?K)。炭素材料的比热容不服从该定律。 炭素材料在不同温度下的比热容 比焓和比熵 炭素材料的比热容不随石墨化度和炭素材料的种类而变化。理论上讲，各向同性晶体的比热容与T3成正比；而在1.5~10 K低温时碳的比热容与T2.4成正比，在0~60 K时则与T2成正比，由此证明石墨晶体为层状结构。 1.1.4.2 蒸汽压 碳的蒸汽压较低，在标准状态下，2500 K时，约为0.1 P，在低于该温度应用时，蒸汽压可以忽略不计。因此炭素材料可以高温（例如2000℃）真空条件下使用。在更高温度和高真空下，蒸汽压接近平衡状态，应注意炭素材料本身的消耗。 碳的蒸汽压与温度关系 1.1.4.3 热导率 固体材料中热传导方式 通过自由电子流动来实现，大多数金属属于这一类； 靠晶格原子的热振动来实现，非金属包括炭素材料在内属于晶格热导体。 晶格热振动的原理：在一定温度下，晶格中原子的热振动有一定振幅，一个原子振动就会对邻近原子施加周期性作用力，如果邻近原子处在较低温度，振动幅度相对较小，相互作用的结果发生了能量转移，这样就使热量由热端向冷端传递。 热导率计算公式： λ—热导率，W/(m?K)； cν—体积比热容，KJ/(m3?K)； υ—晶格波传递速度，m/s； L——晶格波平均自由程，nm。 炭素材料的热导率特点 石墨的热导率呈现各向异性。这是由于石墨晶格中晶格波主要沿晶格网平面传递，而且在平面上还有π电子作用。 炭素材料的热导率与石墨化度有密切关系，石墨化度愈高，则热导率愈高。这是由于在常温或较低温度下，晶格波平均自由程与微晶尺寸La成正比，炭素材料的晶格缺陷也对晶格波平均自由程有影响。 石墨材料的热导率随温度升高而减小，大致与绝对温度成反比。 石墨材料与其他炭素材料的比热容相差不多，但热导率则高几倍到几十倍。石墨材料是一种良好的导热体，其热导率可与一些金属媲美。而多孔炭、炭布、炭毡等炭素材料则为高温隔热材料。 石墨与一些金属的热导率 1.1.4.4 热膨胀系数（CTE） 线热膨胀：固体材料的长度随温度升高而增大的现象称为线热膨胀。线热膨胀系数可用下式计算： ɑ—线热膨胀系数，1/℃； △L—伸长量，cm； L0—原始长度，cm； △t—升高的温度，℃。 当炭素材料用于工作温度高、变化幅度大，而且要求材料尺寸无明显变化的场合时，ɑ值成为重要的质量指标之一。 炭素材料和一些金属材料的线热膨胀系数(1/℃×10-6) 测量方向 挤压石墨制品 挤压炭制品 铜 铝 20~200℃ 20~1200℃ 20~200℃ 20~