碳和石墨材料

碳和石墨材料

正文

由碳元素組成的一類非金屬材料。碳元素有 3種異構體：一種是無定形碳，如木炭、焦炭、炭黑等；另兩種是結晶形碳，即石墨和金剛石。無定形碳經高溫處理可轉化為石墨。石墨在催化劑作用和高壓、高溫條件下又可轉化為金剛石。這也是人造石墨和人造金剛石的生產方法。
碳元素的 3種異構體，其原子的空間排列各不相同。石墨屬六方晶系，各層面由六角形環構成，層面與層面平行,呈有序的重疊晶體結構（圖1）；金剛石屬立方晶系的四面體結構（圖2）；而無定形碳雖有微晶，但沒有像石墨那樣的有序排列。

碳和石墨材料

碳和石墨材料

分類　在機械工程中經常採用的碳和石墨，按組織結構可分為碳質材料和石墨材料。碳質材料是以石油焦、瀝青焦為原料。煤瀝青為粘結劑，經過混捏、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。人造石墨是由碳質材料再經2500℃以上高溫石墨化處理而成。特種石墨是用一般石墨經熱壓加工處理，或採用其他有機原料和特殊工藝而獲得。例如以熱固性樹脂經特殊熱處理而成的玻璃碳；以碳氫化合物在高溫下分解、沉積而成的熱解石墨；以鱗狀天然石墨經過酸處理，然後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。
特點和用途　金剛石堅硬耐磨，常用作磨料、切削工具和勘探鑽頭。碳質材料和石墨材料因具有各種不同的優良性能，已在機械、電機、冶金、化工、電子、航空、航天、火箭、原子能等技術領域中廣泛套用。一般人造石墨導電性好、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，因耐化學腐蝕性優良，導熱性好，可用於化工設備中的換熱器、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、石墨纖維的強度很高，可用作以樹脂、金屬、陶瓷、碳等為基體的複合材料的增強材料。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堆中。熱解石墨由於導熱異向比大，可用作火箭噴嘴的喉襯、核燃料塗層；因定向度高可用於大功率發射管的柵極。人造石墨還可用作銅、鋁的壓鑄模和電子元件燒結模；碳磚、碳塊可用作煉鐵高爐、鐵合金大電爐的爐襯；用玻璃碳可製作旋轉密封的輔助面和雷射技術中的電極等。至於天然石墨,因雜質含量大,一般只用於製造冶煉用坩堝、砂型塗料，或作為原料，經過精製，用於液體潤滑劑和柔性石墨等。
參考書目
　大谷杉郎、木村真著：《炭素纖維》,日本近代編集社，1972。

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