发布时间 : 星期三 文章炭素简介 - 图文更新完毕开始阅读7d8a1a0cba1aa8114431d95a
Δt升高的温度，℃。
当炭素材料用于工作温度高、变化幅度大，而要求材料尺寸无明显变化的场合时。α值就成为重要的质量指标之一。
炭素材料的线热膨胀系数比金属小得多，而且石墨化程度愈高，线热膨胀系数愈小， 见表1－7。
炭素材料的线热膨胀系数具有明显的各向异性。石墨晶体α轴方向和c轴方向的α值温度变化示于图1－12。由图可见，a轴方向的a值在400℃以下为负值，常温时达到最小值，到800℃时，a值为1×10-6/℃。而c轴方向a值均为正值，到800℃时达到30×10-6/℃。 石墨制品的a值随温度的变化都有相同趋向，以20～100℃区间测定的a值为基准，只要加上附加值（Δa）即可算出不同温度时的线热膨胀系数，见表1-8。
炭素材料的热膨胀系数测定是在热膨胀仪中进行，石墨电极热膨胀系数测定方法可参 见GB3074.4-82。
1．1．4．5 抗热震性
材料在高温下使用时，能经受温度的剧变而不受破坏的性能称为抗热震性（或热稳定 性）。当温度剧变时，若材料不能及时把热传走，材料表面和内部产生温度梯度，它们的膨胀和收缩不同而产生内应力，当应力达到极限强度时，材料就被破坏。为了提高制品的抗热震性应该从减小热应力的产生、缓冲热应力的发展以及增强抵抗热应力的能力三方面综合考虑。为了定量地反映材料抗热震性的好坏，提出了抗热震性指标与耐热冲击参数。它们与力学和热学之间关系列于式（1－8）和式（1－9）。 公式1-8
式中 R—抗热震性指标； Rˊ—耐热冲击参数； P—抗拉强度，Mpa；
a—线热膨胀系数，1/℃； E—杨氏模量，MPa，
λ—热导率， W/（m· K）； Cp—定压比热容，kJ／（kg·K）； Dv—体积密度，g／cm3。
炭素材料由于热导率高、a值小，使热应力小，E值低，可以缓解热应力，因而它的抗热震性强。石墨和一些耐热材料的耐热冲击参数列于表1－9。由表可见，石墨的耐热冲
击参数远远大于其它材料。
表1-9 各种耐热材料的耐热冲击参数 材料名称 R′,J/(m·Ω) 石墨 24 金属陶瓷 2.01×10-1 碳化钛 1.44×10-1 重晶石 5.07×10-2 锆石 1.86×10-2 氧化镁 5~15×10-3 氧化锆 2.72×10-3 1.1.5 炭素材料的电学和磁学性质 1.1.5.1 导电性与电阻率
不同物质可以分为电的良导体、半导体和绝缘体三类。它们导电能力的大小一般用电阻率（ρ）来表示。石墨晶体在层面方向上碳原子之间的结合是共价键迭合金属键，所以在石墨层面方向有良好的导电性，而在石墨晶体的层与层之间是由较弱的分子键边疆，所以导电能力弱。因此，石墨化程度高的炭素材料的导电明显的各向异性。例如，天然鳞片
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石墨和热解石墨的各向异性比（ρc/ρa）可高达10。人造石墨制品的电阻率各向异性比只有1.2-1.4。
各种炭素材料的导电能力是不同的，石墨化度高，层面排列近于平行，晶体缺陷少，有利于自由电子流动，所以电阻率就低。一些常用炭素材料的电阻率列于表1-10。
表1-10 常用炭素材料的电阻率
名称 电阻率 Ω·m㎡/m 石墨电极 6~15 高功率电极 石墨阳极 高炉炭块 预焙阳极 电极糊(焙烧后) 阳极糊(焙烧后) 5 6~9 50~60 40~50 70~90 50~80 炭素材料导电性随温度的变化受两方面因素的制约。一方面石墨晶体受热时，在价带上的电子激发跃到导带上，成为自由电子的数量多，电阻率减小。另一方面，温度升高时，晶格点阵的热振动加剧，振幅增大，自由电子的流动阻力加大，电阻率增加。所以，当温度使电子激发作用起主导时，炭素材料的电阻温度系数为负值；而当晶格热振动起主导作用时，电阻温度系数为正值。石墨的电阻温度系数在100-900K以下时为负值，而在900K以上时为正值。各类石墨制品在1000℃以上时的电阻率及电阻温度系数见表1-11。根据电阻温度系数可以计算出石墨在某一温度下的电阻率。如各种石墨在温度超过1000℃时的电阻率可按式（1-9）计算。
ρt=ρ1000+α(t-1000) (1-9)
式中ρt、ρ1000—分别为t℃和1000℃时的电阻率； α—电阻温度系数。
炭素材料电阻率的测定可参见YB911-78，该方法是将样品磨成方块（或圆柱体），也可以在整根制品上直接测量。
1.1.5.2 磁学性质
炭素材料磁化后产生的磁场强度方向与外加磁场强度方向相反，所以它是一种抗磁性物质，其磁化率（x）为负值。大多数炭素材料的磁化率呈现明显的各向异性。单晶石墨
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不同方向的单位质量磁化率分别为х┴=-21.5×10emu/g;х//=-0.5×10emu/g。其差值
-6
△ χ=-21.0×10emu/g。把1/3△χ定义为平均抗磁化率（хm）。各种炭素材料在不同温
表1-11 石墨制品的电阻率及电阻温度系数 制 品 类 型 高密度石墨 粗颗粒结构石墨 细颗粒结构石墨 石墨电极 多孔石墨 电阻率(100℃), -6Ω·m×10 6.4±0.9 9.2±1.4 12.9±2.6 7.5±0.7 12.0±1.2 电阻温度系数, 1/℃ 0.002 0.002 0.0024 0.0009 0.00203 测定温度范围, ℃ 1000~2500 1000~2500 1000~2500 1000~1700 1000~2200 度下的хm值与其微晶大小有关。当微晶尺寸La从5nm增大到15nm时，хm值急剧增加。因此测定石墨材料的抗磁化率是研究石墨晶体发育程度的一种方法。
把外加磁场时的电阻率（ρH/）与不加磁场时的电阻率（△χ）之差值（△ρ/ρ）称为磁阻。磁阻与炭素材料的热处理温度有密切关系，当热处理温度在2400℃以下时，炭素材料的磁阻通常为负值，在2400℃以上，磁阻呈线性增加，因此，磁阻是评价石墨化度极其灵敏的指标之一。
1.1.6 炭素材料的化学性质
炭素材料的化学性质稳定，因此是一种耐腐蚀材料。但在一定条件下，碳也会和其它物质发生作用，其主要反应有：在高温下与氧化性气体或在强氧化性酸中发生氧化作用；在高温下熔解于金属并生成碳化物；生成石墨层间化合物（见9.3节）。
1.1.6.1 氧化反应
在常温下，碳与各种气体不发生化学反应。在350℃左右，无定形碳即有明显的氧化反应，石墨要到450℃左右才开始氧化反应。石墨化程度愈高，石墨的晶体结构愈完整，其反应活化能大，抗氧化性能好。在800℃以内，达到同一氧化速度的温度，石墨材料约比炭材料高50-100℃。在同一材料内，粘结剂炭有优先氧化的倾向，所以氧化反应进行到一定程度时，骨料颗粒会发生脱落。
碳与气体之间反应属于气固反应，它的反应速度既取决于表面的化学反应速度，也与气体分子向材料内扩散速度有关。若炭素材料的气孔率高，特别是开气孔多，气体分子容易扩散到材料内部，参与反应的表面积大，氧化速度就快。当使用温度低时，氧化反应速率不高，气体分子有足够时间扩散到材料内部，这时氧化反应速率与材料的气孔结构及反应活性有关。当温度高于800℃时，化学反应速率快，而气体分子间材料气孔内扩散却因热运动而减慢，氧化反应只在表面进行，氧化速率受表面气流速度所支配，与材料种类关系较小。
炭素材料所含杂质对氧化反应起催化作用，所以高纯石墨与普通石墨的氧化性有明显差别。
石墨电极氧化性测定方法可参见GB3074.3-82。 1.1.6.2 碳化物的生成
在高温下，碳熔解于Fe、Al、Mo、Cr、Ni、V、U、Th、Zr、Ti等金属和B、Si等非金属中生成碳化物。碳与Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族元素生成的碳化物化学稳定性好，硬度高，一般具有导电性，有的还显示超导性。某些碳化物的固熔体如4TaC+1ZrC或4TaC+1HfC的熔点为4200K，是已知熔点最高的物质。碳与碱金属、碱土金属、Al及稀土类元素生成盐类碳化
物。它们一般为绝缘体，大部分化学稳定性较差，在水或稀酸中分解。
1.1.7 炭素材料的核物理性质
核反应堆是核燃料进行有控制的裂变的装置。核裂变物质在裂变时，产生快中子，其
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速度约为3×10m/s,不易为核燃料所俘获，因此核裂变不能继续下去。当这种快中子与减速材料作弹性碰撞时，快中子失去大部分能量，速度大大减慢，直至速度降为2200m/s，成为慢中子。用慢中子去轰击核裂变物质的原子核，才能使它持续产生核裂变。作为减速材料必须具备以下特点：每次碰撞时，使中子损失较多能量；吸收中子少，以提高中子利用率；能长期经受快中子和其它高能粒子的轰击而变化很小；化学稳定性好，不与裂变区内物质发生化学反应。
1.1.7.1 石墨的核物理参数
（1）散射截面与吸收截面 在核物理学中，把某种核反应发生发生的几率用“截面”
-242
作为度量，以σ表示，它的单位是靶恩（b）。1靶恩=10cm。中子与原子核碰撞，仅使中子运动方向和速度改变，而未被原子核吸收的现象称为散射。原子的散射截面是指某一元素的原子核散射中子的几率。一个碳原子的散射截面(σs)为4.7b。
核反应中的吸收包括裂变和俘获，后者是指原子核中吸收中子后不裂成碎片，而是释放其它粒子（如α粒子、γ粒子）。作为减速材料应该具有较低的中子吸收几率。一个碳原子的中子吸收截面（σa）为0.0037b。
石墨材料作为反射材料要求散射截面大，吸收截面小，因此σs/σa可以作为反射材料的质量指标。石墨作为减速材料要求吸收截面尽量小，而一般石墨都含有杂质，而某些杂质如镉、硼、稀土元素等的吸收截面十分大，所以核石墨必须是高纯石墨。
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（2）全吸收系数 全吸收系数（∑a）是指1cm的碳原子对中子吸收的总截面，∑a
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=Ncσa ，其中Nc为1cm 的碳原子数。Nc可按式（1-10）计算：
N=
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式中 DV—核石墨的体积密度，g/cm;
AC—碳的原子量，为12.01；
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NA—阿佛加特罗数，为6.36×10
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设核石墨的体积密度为1.67 g/cm，可求出Nc=8.38×10，∑a =3.1×10b
（3）减速比 快中子的减速是通过弹性散射和非弹性散射失去一部分能量而实现的。每次碰撞的能量损失，通常用对数平均值来表示，按式（1-11）进行计算：
公式
式中 ξ—能量损失平均对数值；
Ε1，Ε2—中子碰撞前和碰撞后的能量。
石墨的ξ值为0.158。快中子每碰撞一次失去的能量愈多，其减速能力就愈强。减速能力
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用1cm减速材料的全部原子核的减速能力（τ）来表示。τ=NCσSξ。τ=8.38×10×4.7
-24-1
×10×0.158=0.0625cm。其意义为快中子在核石墨中每行走1cm距离，平均损失总能量的6.25％。
减速能力只反映了减速材料控制快中子速度的能力，而对减速材料的另一个要求是吸收截面尽量小，综合起来，用减速比来表示。减速比（η）用式（1-12）计算：
η
对上述石墨而言，
1.1.7.2 石墨与其它材料的核物理性能的对比