СВОЙСТВА ГРАФИТА

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
В числителе - показатель, полученный при измерении параллельно оси с кристалла, в знаменателе - перпендикулярно оси с кристалла.
Теоретическая плотность природного графита, вычисленная с использованием данных рентгеновского анализа и исходя из размеров кристаллической ячейки, составляет 2,265 г/см"*; практически определенная плотность близка к этому значению. Искусственные графиты из-за дефектов и пористости имеют более низкую плотность.
При механическом воздействии в первую очередь происходит разрушение графита вследствие перемещения базисных плоскостей относительно друг друга с разрывом слабых межслоевых связей. Поэтому в зависимости от способа приложения нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб) изменяется прочность графита, которая и так невелика. Согласно данным табл. 1.1 предел прочности при растяжении не превышает 100 МПа, а при сжатии 480 МПа. Модуль Юнга графита также низкий (максимальное значение 11 ГПа).
Большой интерес графиты представляют для ядерной энергетики. Удовлетворительная замедляющая способность графитов, малое сечение захвата, возможность эксплуатации при высоких температурах, стабильность свойств при облучении потоком быстрых нейтронов, достаточные прочностные и высокие теплофизические характеристики делают их незаменимыми для применения в различных узлах атомных реакторов. В связи с этим из всего многообразия марок конструкционных углеграфитовых материалов следует выделить группу искусственных графитов, получаемых методами термомеханической и термомеханохимической обработок. Эти графиты получили название рекристаллизованных [13]. Термин рекристаллизованный графит отражает существо механизма процесса превращения чрезвычайно дефектных мелких турбостратных кристаллитов исходного углеродного материала в трехмерно упорядоченные крупные малодефектные кристаллиты.
Процесс рекристаллизации нельзя отождествлять с процессом гра-фитации, несмотря на схожесть физико-химических механизмов. При графитации все структурные изменения протекают под влиянием термической обработки. Рекристаллизация предусматривает дополнительное воздействие на исходный углеродный материал, связанное с давлением, приводящим к пластической деформации, а также физикохимическим взаимодействием углерода с расплавами, приводящим к жидкофазной графитации.
Удельная теплоемкость графита мала - 712... 1675 Дж/(кг-К); это указывает на большую прочность связей между атомами и незначительное их взаимное колебание. Перенос тепла в графите осуществляется главным образом коллективными колебаниями атомов (фононами), что обусловлено сравнительно небольшой концентрацией электронов в графите (10 -10 на cm ), которые не могут обеспечить существенный теплоперенос в отличие от металлов, где перенос осуществляется преимущественно электронами, концентрация которых на четыре порядка больше, чем в графите. Коэффициент теплопроводности графита необычайно высок [14]: в направлении, параллельном базисной плоскости, он составляет 140...350 ккал/(мч°С), а в перпендикулярном направлении - 0,8...60 ккал/(м ч °С). Еще одной особенностью графита является очень малая величина теплопроводности при экстремально низких температурах. Это указывает на большие возможности использования искусственного графита в качестве теплоизоляции в криогенной технике.
Среди графитов наибольшей теплопроводностью обладает отожженный пирографит. Его теплопроводность перпендикулярно слоям в 300 и более раз меньше, чем вдоль слоев. Отожженный графит по тепловым свойствам близок к монокристаллу графита.
Технологический процесс графитации завершается в усолвиях термической обработки при 3100 — 3300 К. При этой температуре структура пиролитического графита приближается к идеальной. Его теплопроводность и электропроводность являются максимальными для углеродных материалов.
Существует связь между явлениями переноса тепла и электричества в углеродных материалах. Как указано выше, обе величины зависят от температуры термической обработки. В этой связи электросопротивление углеродных материалов может изменяться от 10 до 10" Ом м.
Электрическое сопротивление вдоль базисных плоскостей может быть на 1 - 3 порядка меньше, чем в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям.
Высокая анизотропия свойств графита обусловлена сильными связями между атомами в графитовом слое и слабыми — между слоями. Высокая теплопроводность в слое определяется большими силами восстановления при смещении атомов из положения равновесия. Низкая межслоевая теплопроводность обусловлена слабыми силами восстановления при межплоскостных смещениях.
Графит в инертной среде обладает очень высокими термическими свойствами. Он не плавится, и углерод начинает возгоняться при 3600 °С. Приведенные термические характеристики графита объясняются большой прочностью углерод-углеродных связей и высокой концентрацией 7г-сопряжений в графите.
Характерной особенностью графита является его тепловое расширение. Коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) графита в направлении, перпендикулярном главной кристаллографической оси, имеет отрицательное значение. Такая особенность объясняется следующим - ковалентные связи атомов, расположенных в кую пластинку. Между слоями действуют более слабые силы Ван-дер-Ваальса. Поэтому при нагревании образцов колебания в основном возбуждаются в направлении главной кристаллографической оси, что соответствует расширению графита в этом направлении. Возникшее расширение сопровождается боковым сжатием, которое в плоскости слоя превосходит расширение, т.е. в направлении, перпендикулярном главной кристаллографической оси, сжатие имеет отрицательное значение. Указанный эффект наблюдается у графита в интервале температур 80-470 К.
Для целого ряда наукоемких отраслей современной промышленности практически незаменяемыми конструкционными материалами служат высококачественные искусственные графиты.
Основными областями их применения являются электроника, атомная энергетика, металлургия, производство стекла, керамики и алмазного инструмента, точное машиностроение и металлообработка, химическая промышленность, а также ракетно-космическая, авиационная и спецтехника.
Требования, предъявляемые к искусственному графиту, диктуют необходимость постоянного совершенствования технологии изготовления искусственного графита, главным образом в направлении повышения эксплутационных характеристик и увеличения габаритов заготовок.
В основу существующей классификации современных искусственных графитов положен размер зерна.
История развития производства искусственного графита насчитывает пять поколений (классов), различающихся по особенностям технологии их изготовления и размерам зерна (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Классы искусственных графитов
Искусственные.
графиты
Средний размер зерна, мкм
Способ формования заготовок
Марки.
графита
Крупнозернистые
500-3000
Прошивное прессование
Электроды, ЭГ
Среднезернистые
150-500
Прошивное прессование, прессование в матрицу
В-1,ГМЗ, ППГ
Мелкозернистые
30-150
Прессование в матрицу
АРВ. МГ, МГП
Мелкозернистые.
изотропные
30-150
Изостатическое.
прессование
МИГ-1
Тонкозернистые
1-30
Изостатическое прессование, прессование в матрицу
МИГ-2
Различаются графиты и по стоимости. Если стоимость графитов первого поколения составляла 1 - 2 долл./кг, то для графитов четвертого поколения она возросла до 50 - 100 долл./кг, а для графитов пятого поколения - от 100 до 200 долл ./кг.
В связи с возросшей потребностью ряда отраслей в производстве крупногабаритных заготовок высокоплотных искусственных графитов был осуществлен переход к принципиально новой технологии формования заготовок — изостатическому прессованию. Это позволило получать крупногабаритные заготовки (до 500 мм в диаметре и длиной до 1000 мм) изотропных мелкозернистых искусственных графитов [16].