機(jī)械工程材料:碳和石墨材料

碳元素有3種異構(gòu)體﹕一種是無定形碳﹐如木炭﹑焦炭﹑炭黑等﹔另兩種是結(jié)晶形碳﹐即石墨和金剛石。無定形碳經(jīng)高溫處理可轉(zhuǎn)化為石墨。石墨在催化劑作用和高壓﹑高溫條件下又可轉(zhuǎn)化為金剛石。這也是人造石墨和人造金剛石的生產(chǎn)方法。

碳元素的3種異構(gòu)體﹐其原子的空間排列各不相同。石墨屬六方晶系﹐各層面由六角形環(huán)構(gòu)成﹐層面與層面平行﹐呈有序的重疊晶體結(jié)構(gòu)﹔金剛石屬立方晶系的四面體結(jié)構(gòu)﹔而無定形碳雖有微晶﹐但沒有像石墨那樣的有序排列。

分類

在機(jī)械工程中經(jīng)常採用的碳和石墨﹐按組織結(jié)構(gòu)可分為碳質(zhì)材料和石墨材料。碳質(zhì)材料是以石油焦﹑瀝青焦為原料。煤瀝青為黏結(jié)劑﹐經(jīng)過混捏﹑壓製成形﹑加熱碳化而成。石墨按來源可分為天然石墨﹑人造石墨(包括特種石墨)兩種。天然石墨還有鱗狀和土狀兩種形態(tài)。人造石墨是由碳質(zhì)材料再經(jīng)2500℃以上高溫石墨化處理而成。特種石墨是用一般石墨經(jīng)熱壓加工處理﹐或採用其他有機(jī)原料和特殊工藝而獲得。例如以熱固性樹脂經(jīng)特殊熱處理而成的玻璃碳﹔以碳?xì)浠衔镌诟邷叵路纸猢p沉積而成的熱解石墨﹔以鱗狀天然石墨經(jīng)過酸處理﹐然后在高溫下高度膨脹而成的柔性石墨﹐以及以合成纖維製成的碳纖維和石墨纖維等。

特點(diǎn)和用途

金剛石堅(jiān)硬耐磨﹐常用作磨料﹑切削工具和勘探鉆頭。碳質(zhì)材料和石墨材料因具有各種不同的優(yōu)良性能﹐已在機(jī)械﹑電機(jī)﹑冶金﹑化工﹑電子﹑航空﹑航天﹑火箭﹑原子能等技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。一般人造石墨導(dǎo)電性好﹑耐熱﹐可用於製造電弧爐和電火花加工模具的電極﹔因潤(rùn)滑耐磨﹐可用於製造密封圈﹑刮片﹑高溫軸承。以熱固性樹脂浸滲而成的不透性石墨﹐因耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良﹐導(dǎo)熱性好﹐可用於化工設(shè)備中的換熱器﹑管道和配件。柔性石墨富於彈性﹐可用於製造高溫密封圈﹑填料﹑墊片。碳纖維﹑石墨纖維的強(qiáng)度很高﹐可用作以樹脂﹑金屬﹑陶瓷﹑碳等為基體的復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。多孔石墨能耐高溫﹐耐腐蝕氣體和液體的侵蝕﹐可用作高溫隔熱材料和過濾材料。不含硼和稀土元素的高純度核石墨因不吸收中子﹐能使中子減速而用於原子反應(yīng)堆中。熱解石墨由於導(dǎo)熱異向比大﹐可用作火箭噴嘴的喉襯﹑核燃料涂層﹔因定向度高可用於大功率發(fā)射管的柵極。人造石墨還可用作銅﹑鋁的壓鑄模和電子元件燒結(jié)模﹔碳磚﹑碳?jí)K可用作煉鐵高爐﹑鐵合金大電爐的爐襯﹔用玻璃碳可製作旋轉(zhuǎn)密封的輔助面和激光技術(shù)中的電極等。至於天然石墨﹐因雜質(zhì)含量大﹐一般只用於製造冶煉用坩堝﹑砂型涂料﹐或作為原料﹐經(jīng)過精製﹐用於液體潤(rùn)滑劑和柔性石墨等。