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碳素材料

时间:2016-06-20来源:网络 浏览次数:102

  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。

1、金刚石:是目前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。

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;

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。

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。

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