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碳素材料

碳素材料，按其原子在結構中排列不同，碳有三種同素異形體，即金剛石、石墨和無定形碳，它們的物理性能、化學性質及用途也各不相同。

中文名: 碳素材料
外文名: carbons

類型: 材料
學科: 化學

碳素材料同素異形體

1、金剛石：是所知自然界中最硬的物質，其晶體構造基本上為面心立方格子，每個碳原子都被周圍四個碳原子所圍繞，以共價鍵相連，強度高，莫氏硬度為10，所以通常用作切削、磨削和切割材料。當金剛石中含有微量雜質時，有半導體的性能，可以做高温整流器或固體微波器件等。

天然金剛石又是貴重寶石(金剛鑽)。金剛石分為Ⅰ型、Ⅱ型和六方型三種。Ⅰ型的雜質含量較高，其中氮的含量在0.0025%～0.2%，絕大多數天然金剛石屬此型。Ⅱ 型是極純的金剛石，結晶完整，氮的含量少於0.001%，導熱性良好，具有半導體性能。天然金剛石中1%～2%屬此型。用特殊的人工方法（如超高壓高温法）可以將非金剛石結構的碳轉化為金剛石，即人造金剛石。

2、石墨：碳原子以四配位多面體組成網層，網層之間以分子鍵聯結，形成六方晶片。石墨是特殊的無機非金屬材料，兼有金屬和塑料的性能和其他一系列特性，在冶金、化工、電力和電子、機械、紡織和原子能等工業部門獲得廣泛應用。

石墨的用途與其性質密切關聯。

①耐高温、熱穩定性良好，在3600℃下也不熔化，因此用作冶金工業中坩堝（見彩圖）、爐內的耐火材料等。

②有良好的導熱和導電性（比不鏽鋼高4倍）,導電係數隨温度升高而降低。用來製造電極、電刷、碳棒、換熱器、冷卻器等。

③化學穩定性好，能耐酸、鹼和有機介質的侵蝕，普遍用以製造酸鹼工業、石油化工、紡織、造紙等工業的換熱器、燃燒塔、反應槽、冷卻器、吸收塔、泵和加熱器等。

④潤滑性能與二硫化鉬相近，耐磨，摩擦係數小於0.1,可在-200～2000℃和100m/s轉速下使用，用來製作密封圈和軸承時，不用加潤滑劑。

⑤可塑性好，能延展成透光、透氣的薄片。

⑥有良好的中子減速性，用做原子反應堆中減速材料。此外，還用做固體燃料火箭中的噴嘴、航天設備的零件、隔熱和防射線材料。石墨最大的缺點是在高温下易氧化，需要在保護氣氛下使用。

石墨礦有晶質和隱晶質之分。晶質石墨礦有致密結晶和鱗片結晶兩種，前者晶粒大於0.1mm,含碳量在60%～65%，甚至高達80%～90%，但可塑性、可浮選性差。鱗片結晶石墨礦的品位雖低（3%～5%或10%～25%），但性能好。隱晶質石墨又稱土狀石墨,含碳量可高達90%以上，但性能差。世界上所產石墨半數為土狀。

蘇聯是石墨礦儲量和產量最大的國家。中國石墨資源也較豐富，多半是鱗片和隱晶石墨。由於石墨礦品位不高,需經選礦和提純，常用的浮選法（石墨為疏水性）和重選法（石墨相對密度小，為1.9～2.3），可使成品中的含碳量達90%，有些製品還需採用化學提純，使含碳量提高到97%～99%或高温提純至99.9%。

3、無定形碳：碳原子排列無序，或構成的晶粒過小。煤、天然氣、石油或其他有機物在1000℃左右碳化得到的無定形碳是多孔材料，其表面積很大。產品有炭黑、活性炭等。^[1]

碳素材料發展方向

1、炭素材料和技術的推廣

（1）煤系針狀焦生產技術（提高單套裝置能力）；（2）微孔炭塊、半石墨質炭磚生產技術；（3）炭質中間相製備技術（100t/a先進電源負極材料）；（4）高功能電極生產技術（穩定接頭質量）；（5）高温氣冷堆專用炭及石墨材料；（6）高強高密（細結構）炭材生產技術；（7）熱解炭製備及應用技術；

2、炭素材料和技術研究

（1）超高功率石墨電極（φ500、600、700毫米）生產技術；包括優質針狀焦製備技術，優質瀝青浸漬劑和粘結劑製備技術，內串石墨化工藝及裝備開發和生產技術集成等。

（2）超微孔炭磚生產工藝，裝備技術；

（3）聚丙烯腈素炭纖維製備技術；

（4）包括原絲及炭化級纖維適應性評價，高強中模（σb≥5GPa、E ≥250GPa）製備技術、石墨纖維（σb≥2．5GPa、E≥400GPa）製備技術；

（5）炭質中間相生產技術（>500t/a）；包括先進電池專用電極材料生產技術（電容量≥350mAh/g，能力>300t/a），自焙性炭質中間相生產技術（各向同性炭材的體積密度≥1．86g/立方厘米、能力>200t/a）和生產技術集成等。

（6）全炭人工心瓣生產技術；包括超低温沉積技術和加工裝配技術。

（7）低成本中間相瀝青炭纖維生產技術；包括低成本可紡中間相瀝青生產和熔紡技術。

（8）大尺寸高強高密（細結構）炭材生產技術；包括主要裝備配套及工藝穩定性。

3、炭素材料前沿材料和技術

（1）炭合金（功能、結構材料）製備技術；包括飛機制動炭－－炭系合金，炭－－陶瓷系抗氧化、抗輻照材料，特殊場合用炭－－金屬系抗疲勞材料和電觸頭材料。

（2）納米炭製備技術；炭母體形成超微米、納米空間控制技術，超微米、納米空間表徵、功能評價

及納米炭（管、球）的製備技術。^[1]

碳素材料內部缺陷檢測

碳素材料由於具有化學穩定性好、耐高温、耐腐蝕及自潤滑性、彈性模量低和導電良好等特性，廣泛應用於國防科技、軍工產品、航空航天和有色冶金等領域。無損檢測技術是碳素材料能否有效和擴大應用的關鍵。與金屬材料相比，碳素製品內部結構具有疏鬆、孔隙較多、晶粒粗大、密度不均和各向異性強等特點，使得反映其本質特徵的確定性信息湮沒在強動力學噪聲中，檢測信號的信噪比一般都較低，因而很難有效地將其內部缺陷檢測出來。

國外工業發達國家已將無損檢測和質量控制在碳素材料研究與應用方面進行了大量的投入，並取得了積極的結果。一些國家超聲波檢測碳製品質量結果表明，超聲波在碳製品中的傳播速度與碳製品氣孔大小、材料體積密度和彈性模量密切相關，並取得了一些有規律的技術參數，將其應用於碳素製品質量檢測，取得了可行性結論。但由於超聲波在碳製品中的衰減比較複雜，所以對缺陷等的判斷還要靠實踐經驗的總結和積累。還有一些國家採用聲發射方法來檢測，但聲發射法要求碳素製品有外界激勵，對非工作狀態的碳素製品檢測無能為力。據文獻報道，美國開始使用X 射線對軍用石墨塊和碳/碳複合材料檢驗其內部裂紋和孔洞，經試驗得知X 射線對厚度為300 mm 的石墨塊的缺陷探測尺寸約為3 mm 。我國碳石墨製品生產廠對產品的X 射線檢測研究較少，電碳行業也只有哈爾濱研究所和東新電碳廠作過這方面的探討。對於大規格碳素製品內部深層隱含缺陷的探測與辨識的研究文獻尚未見報道。如何加深對碳素材料內部規律和缺陷特徵的認識，合理採用現代化的檢測技術，穩定和提高碳製品質量，是一個重要的研究課題。^[2]

碳素材料超聲波檢測

碳素製品晶粒粗大，內部易產生局部疏鬆、裂紋和孔洞等缺陷，超聲波衰減相當嚴重，特別是同一尺寸同一製品的不同部位，超聲波衰減亦不相同，給檢測帶來很大困難。利用美國泛美公司和武漢巖海公司的超聲波探傷儀分別對40 mm ×40 mm ×40 mm的石墨和125 mm ×150 mm ×250 mm 的陰極碳塊進行內部人工缺陷（1，2 和5 mm 的橫通孔和盲孔）檢測，探頭髮射頻率為40 和100 kHz，0. 5 和1 MHz等，測試時分別採用自發自收和一發一收兩種方式，接收到的超聲波信號經A /D 轉換後送入計算機。由於衰減嚴重，均未得到有意義的返回波形。因此，初步認為碳製品內部缺陷不宜採用超聲脈衝回波法進行檢測。^[2]