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1、 内部培训资料 工艺技术方面 版本：初 级 版 状态：受 控 编辑：技术中心 董 金 奎 赵 有 兵 李 春 平 刘 太 保 兴和县木子炭素有限责任公司 自 2021 年 7 月 26 日起试行 编 辑 说 明 本资料主要以入门培训为主，属专业知识的普及性资料，目的是使大家在短时间内迅速掌握碳石墨行业的特点及我公司产品的相关知识，便于迅速进入角色，展开工作。故相关专业知识的表述不一定严谨和科学，只求能够迅速理解和掌握，故此有些概念的表述采用了形象化和本地化的语言。此资料适用于营销人员、非生产管理人员、生产系统及其他管理岗位新进厂人员。在此资料编辑的整个过程中，得到了各位领导和同事的大力支持和热
2、情关注，在此一并表示感谢。因时间仓促和水平所限，资料的缺乏之处敬请不吝批评指正，我们会在下次修订过程中予以完善。本资料只供内部使用，因渉及企业技术及商业秘密，故不得将其原件或复印件转给他厂人员使用。编者：王建新 目 录 一、碳石墨行业的历史、现状及开展前景 1碳石墨行业的历史和现状 2碳石墨行业的开展前景 二、碳石墨材料的结构、性能、理化指标、分类及用途 1碳石墨材料的微观结构 2碳石墨材料的性能 3碳石墨材料的理化指标 4碳石墨材料的分类及用途 三、碳石墨产品制造的一般工艺过程 四、我公司生产产品的历史、种类、性能、理化指标的概述 五、炭素材料在国民经济各部门的应用情况概略 六、附录 第一章
3、、碳石墨行业的历史、现状及开展前景 1碳石墨行业的历史和现状 自古以来，炭素材料就与人类的生活息息相关。根据宇宙大爆炸学说，在约一五 0 亿年前，由巨大的能量块生成了根本粒子，根本粒子又生成了氢和氦，三个氦原子结合就生成了碳。人类大量使用火是在约 2 万年前，用于取暖的木材或植物燃烧后的剩余物、烹调食物时的动植物焦化物等都是人类随处可见的炭。而在公元前 16 世纪的巴比伦、公元前 10 世纪的殷墟的甲骨文中，煤炱已用作墨水使用。木炭、煤炭、煤炱、石墨等在我们的生活中被用作燃料、颜料和冶炼金属的复原剂等，在一八世纪的工业革命以前，炭的利用都没有太大的变化。一八世纪的工业革命、19 世纪近代科学的
4、逐步形成，特别是一八 96 年美国人艾契逊创造了艾契逊石墨化炉，炭素制品从炭质到石墨质取得了跨越式的进步，使其广泛应用成为可能。而利用其电气特性、耐腐蚀性、耐热性、润滑性和导热性的制品有炼钢电极、电解板、发热体、坩埚、电刷、无轨电车滑板、触头、放电管用栅极、轴套和密封圈等。在 20 世纪美国、德国、日本、法国、俄罗斯等兴旺国家，将碳石墨制品作为一种新型材料进行了大量的科学研究和生产实践技术攻关，使碳石墨制品的种类不断扩大，性能不断提高、应用领域不断拓展，现在碳石墨制品的应用领域已涵盖了国民经济的各个部门。我国在解放前没有碳石墨制品工业，在前苏联援助中国时，于 1956 年成立了吉林碳素厂吉炭，
5、1958 年成立了哈尔滨电碳厂哈炭，因涉及军工，吉林碳素厂按编号 201 称呼。后来，随着国民经济的开展，国家按全国的整体布局，又在东南的上海市、西部的兰州市、西南部的自贡市分别建立了上海碳素厂上炭、兰州碳素厂兰炭和自贡东新电碳厂。20 世纪八十年代，随着改革开放的深入，炭素升温，各地又新建了近二三十家中型碳素厂以适应经济快速开展的需要。九十年代，随着企业转制步伐的加快和民营企业的开展，原国有、集体碳素企业的管理和技术人员大量流动，碳素民营企业如雨后春笋般地开展起来。近几年，顺应经济全球化，许多老碳素企业加大了科技投入、加快了技术改造的步伐，新上马工程大多项选择择了高技术含量、高附加值的碳素新
6、材料，如各向同性等静压石墨、锂电池正负极材料、炭纤维、炭炭复合材料等。目前我国碳石墨制品在总量上已位列世界第一，在产品质量上也有大幅度的提高，但与美国、德国、日本、法国等兴旺国家相比仍有较大差距。无论是炭石墨材料根底理论研究还是生产实际工艺技术水平都有 20-30 年的差距。我国现有炭石墨生产制造型企业 200 家左右，加上利用炭石墨坯料进行加工的企业总计约有近千家。全行业总体来说，规模小、产业链短、技术水平不高、技术装备落后、科研开发投入缺乏、产品质量不稳定、能耗高、污染大、产业集中度低。在产业集中度方面，各兴旺国家，如美、日、德、法、俄罗斯等，每个国家的 炭素企业都根本不超过十家。2021
7、 年，仅德国西格里公司一家的年营业额就达 110 多亿元人民币，相当于我国现有炭石墨生产制造型企业近 200 家的年总营业额。所以今后我国炭石墨行业间企业兼并重组整合是必由之路，只有将企业规模做大，才能解决我国炭石墨行业现在存在的诸多问题，才能与兴旺国家的同行竞争。中国炭素行业协会会员名单 此表根据会员单位规模和交会费情况综合排序 1。中钢集团吉林炭素股份原吉炭 2。方大炭素新材料科技股份原兰炭 3。南通扬子碳素江苏省 4。中钢集团四川炭素 5。山东八三炭素厂现仍为国有企业 6。河南三力炭素制品 7。大同能源开展炭素分公司大同晋能 8。四川广汉士达炭素股份 9。新郑市豫电炭石墨制品 10。平煤
8、集团开封炭素有限责任公司全套引进国外先进生产线 11。抚顺炭素有限责任公司 12。辽阳炭素 一三。合肥炭素有限责任公司 14。河北顺天电极全球最大的碳电极生产企业，原河北涞水长城长电极厂 一五。湖南银光炭素 16。成都蓉光炭素股份 17。吉林市松江炭素有限责任公司 一八。茂名碳素总厂广东省 19。大同市威力炭素有限责任公司 20。介休市巨源炭素 21。山西晋阳碳素股份 22。天津龙汇碳石墨制品原天津市碳素厂，与我公司有业务关系 23。中钢炉料 24。石家庄炭素有限责任公司现已转制，大局部技术人员外流 25。大同市新城特炭全国第二大中粗结构大方料、圆饼生产企业 26。林州市红旗渠电炭 27。山西
9、华泰炭素有限责任公司 28。河南鲁山方原炭素集团 29。焦作市中州炭素有限责任公司与我企业在河南省以南地区有竞争 30。山西晋能集团 31。黑龙江鑫源炭素有限责任公司 32。天津市静海县利源碳素制品 33。新乡超力碳素 34。冀州市长安电极 35。泰兴市晨光高新技术开发数控车床生产企业 36。林州市电力炭素 37。焦作市东星炭电极 38。四川槽渔滩水电股份炭素厂 39。丹东鑫兴炭素 40。四川都江堰西马炭素 41。长治县山河巨能炭素 42。石家庄市华南炭素厂直径 200-400mm 电极，大局部出口 43。朔州市三元碳素 44。北京奂慧炭化技术 45。广西强强碳素股份 46。辽宁福鞍集团石墨电
10、极 47。山东省临沂县鲁北炭素 48。山西宏特煤化工针状焦生产企业 49。林州市宏鑫炭素 50。青铜峡市青鑫炭素 51。内蒙兴和兴永炭素 52。济南澳海炭素 53。洛阳万基石墨制品 54。邯郸市华源炭素以振动成型大规格石墨电极为主，最大直径 1200 55。芜湖江城炭素 56。唐山金湾特炭石墨兴和县青山特碳的控股公司，老板藏文平 57。山西省阳城县东方炭素有限责任公司 58。山西中凯集团灵石能源开发 59。甘肃新永达国际冶金 60。锦州巨路石化 61。抚顺市碳素 62。旭日精密炭素大连 加工出口型企业 63。索通开展 64。山东前昊炭素 65。吉林恒升化工 66。兴和县木子炭素有限责任公司 6
11、7。中钢集团吉林机电设备炭石墨行业用设备生产企业 68。山东平阴丰源炭素有限责任公司 69。东明县金利达碳素制品 70。山西经华炭素 71。平顶山三基炭素有限责任公司 72。鹤岗市巨源碳素有限责任公司 73。贵阳铝镁设计研究院炭石墨行业设计企业 74。沈阳铝镁设计研究院炭石墨行业设计企业 75。内蒙古集宁华瑞炭素有限责任公司董事长：万水田 76。青海长春炭素 77。宁夏永威炭业有限责任公司生产碳电极为主 78。广汉市正蓉炭素制品 79。河南省巩义市炭素厂 80。成都市天府石墨坩埚以石墨坩埚的生产为主 81。青岛西特碳素 82。山西亚鑫煤焦化 83。南通捏和机厂专业提供混捏机的企业 84。北京北
12、方鑫源电碳制品有限责任公司异型石墨加工 85。三门峡龙新炭素 86。巩义市鑫炜炭素制品 87。郑州惠美石墨 88。邯郸市中轩碳素 89。晋中市宏兴碳素 90。山东同济炭素 91。新乡超力碳素 92。江西新钢炭素有限责任公司 93。芜湖县炭素 94。冶金工业规划研究院炭石墨行业设计企业 95。湖南大学中国唯一一家设有炭素系的大学 96。山西省天镇县云洋碳素天镇炭素 97。运城市关铝阴极制品 98。鲁山县炭素耐火协会耐火材料 99。上海碳素现根本已解体，技术人员大量流失 说明：所谓“碳素即碳元素，所谓“碳素企业即以含碳元素为主的材料作为原材料生产产品的企业。由于历史和习惯等原因，有的企业叫“碳素企
13、业，有的企业叫“炭素企业。其实，按一般较为标准的说法，“碳一般指碳元素、含碳元素为主的原材料或矿山开采型企业。“炭一般指以含碳元素为主的原材料生产而成的各种制品和产成品。但在整个学术界和碳石墨行业并没有严格的界限，故在“碳或“炭的使用上没必要深究。2。碳石墨行业的开展前景：人类自远古以来，每天都在使用碳材料，20 世纪前木炭、炭黑、焦炭、天然石墨、人造石墨等碳材料已被广泛使用，推动了陶瓷、冶金和印刷业的开展。它是古代灿烂文明和第一次产业革命蒸汽机诞生的主要支撑材料。20 世纪，随着国防工业和航空航天工业的开展，特别是 50 年代美国和苏联两大国对太空开发进行了剧烈竞争，促使了新型碳材料惊人的大
14、开展，相继出现了碳石墨纤维及其复合材料、活性碳纤维、炭分子筛及炭微球等；高比强、高比模碳石墨纤维已成为开发耐烧蚀、结构和多功能复合材料理想的增强体，成功地应用于宇航、航空、潜艇、原子能及其他民用工业，为人类探索太空架起了桥梁，使人们遨游太空的梦想变为现实，还促进了传统工业用材料的更新换代，大大提高了现有产品的质量，节省能源，降低本钱，减少污染，提高了人们的生活品质。不言而喻，它也是第二次产业革命关键性支撑材料之一。特别值得注意的是，20 世纪末，C60、纳米碳管和炭合金的诞生，反映了碳科学的巨大进展。预计，纳米科技将给人类带来数不尽的新技术、新工艺、新产品，不断改变人们的生产和生活方式，将成为
15、人类历史进程中的里程碑。碳纳米管的理论抗拉强度为钢的 100 倍，而密度仅为钢的 1/6。根据结构的不同碳纳米管的可以呈现金属和半导体特性，可作为量子开关，使现在的计算机体积缩小为原来的 1/100。碳纳米管的理论比外表积可达 8000m/g，可作为双电层超级电容器的极板材料，到达很高的比功率。初步实验结果说明，碳纳米管的具有极强的储氢能力，可能是未来燃料电池氢气储运材料的最正确选择。由此可见，炭素材料在导电性、导热性方面与金属材料有相似之处，在耐热性、耐腐蚀性方面与陶瓷材料有共同性，而在质量轻、具有复原性和分子结构多样性方面又与有机高分子材料有相同之处。由此说明，炭素材料兼有金属、陶瓷和有机
16、高分子三种固体材料的特性。而它又有别的材料无法取代的性质，如比弹性率、比强度高、减震率大、生物相容性好和具有自润滑性及中子减速能力等特点。此外，由于呈多晶体碳的生成过程和微晶的成长程度以及它们的集合状态的多样性，使炭素材料的性质易于变化，以适应各种不同的用途。当前，炭素材料已广泛应用于冶金、化工、电子、电器、机械等工业以及核能和航空航天工业，乃至作为人体生理补缀材料。炭素材料已经成为近代工业中不可缺少的结构材料和功能材料。有关专家称 19 世纪是钢材料的世纪，20 世纪是硅材料的世纪，21 世纪是炭材料的世纪。综上所述，碳石墨行业具有无限美好的开展前景。二、碳石墨材料的结构、性能、理化指标、分
17、类及用途 1碳石墨材料的微观组织结构 碳元素在门捷列夫的元素周期表中列第六位，碳在自然界分布很广，是地球上化合物最多的元素。在水和空气中碳主要以碳酸、碳酸盐和二氧化碳的形式存在；矿物界有各种碳酸盐、煤、天然石墨和金刚石等，还有石油和天然气等碳氢化合物；动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素也是碳的化合物。碳是组成一切动植物的根本元素。碳在自然界中的丰度为 0.08%，占地壳中各元素含量的第一三位。目前发现的单质的碳有金刚石、石墨、咔宾和无定型碳。金刚石是自然界材料中最硬的材料，石墨是材料中最软的材料，但它们都是由碳组成的，只不过是碳的微观结构不同而已。石墨为层状结构，同层间为六角网状排列，以金
18、属键连接，故石墨具有良好的导电导热性能；层与层之间连接较弱，易滑移和剥离，故石墨具有抗摩性能和自润滑性。2碳石墨材料的性能 1、导电性：在非金属材料中，石墨材料是电的良导体，但其导电性只有铜的 1/5001/1000，铁的 1/100 左右。炭质材料是石墨质材料导电性的 1/51/10。2、导热性：石墨材料的导热性良好，是钢的 34 倍常温，是铜的1/21/3，在常温附近最大，随温度的上升而下降，在 2000时 只有常温值的 1/4。炭质材料的导热性是石墨质材料的 1/101/20，耐火砖的 5-10 倍，随温度的上升而稍有增加。3、耐热性：在常压下不熔融，在 3500以上升化，在高温下不易软
19、化变形。耐热冲击性极好。不存在晶体相变。在高温 2500以上下荷重时，有微小的塑性变形。4、耐腐蚀性：极好，在常温下耐酸碱腐蚀，熔融金属难以润湿。5、高温强度高：在常温下的强度是钢材的 1/20-1/30，抗冲击强度弱，抗压缩强度高。在 2500之前随温度的上升而增大2500时是常温值的 2 倍且不软化。6、润滑性：石墨质材料润滑性良好，炭质材料润滑性中等，炭、石墨材料在极低的温度和真空下有时发生异常磨损。7、热膨胀：热膨胀小，只有钢材的 1/6 左右，石英的 2-8 倍，耐火砖的2/3 左右，热膨胀系数随温度的上升而按比例增大。8、硬度：石墨质材料柔软，莫氏硬度 2-3，肖氏硬度 20-70
20、；炭质材料坚硬，莫氏硬度 7-8，肖氏硬度 60-100。炭石墨材料的硬度可以通过制造条件进行调整。9、密度：g/cm g/cm g/cm，是钢的 1/4-1/5，耐火砖的 2/3-3/4。10、加工性：石墨材料的机械加工较易，可以进行精密加工可以加工成各种形状，炭材料机械加工较难，精密加工很困难。11、纯度：石墨材料灰份通常为 0.01-0.3%，容易精制到达高纯度 灰份 10ppm 以下。炭质材料灰份通常为 0.5-1.0%。纯度的单位为%和 ppm，ppm 即百万分之一，%与 ppm 的换算关系如下：%10000=ppm ppm10000=%12、透气性：炭石墨材料系多孔材料，通常有 2
21、0-35%的气孔率，对流体具有透气性，改变制造条件可以得到孔径较均匀的产品 气孔率最大达 50%，通过各种浸渍处理降低其气孔率，甚至使之在实用上成为不透性材料。一三、弹性模量：弹性模量低，只有钢材的 1/20-1/30，玻璃的 1/5-1/10。弹性模量低，加上高导热性、低热膨胀性一起成为具有卓越耐热冲击性的原因。14、核物理性质：石墨材料对中子的散射截面大，吸收截面小，能长期经受快中子和其他高能粒子的轰击而变化很小，化学稳定性好，不与裂 变区内的物质发生化学反响，而且生产本钱较低，故可作为核反响堆的减速材料。一五、生物相容性：碳素材料的生物相容性很好，完全可以作为人体的补缀材料使用。3碳石墨
22、材料的理化指标(1)结构方面：包括体积密度、真密度、气孔率等。A体积密度 体积密度是表征材料宏观组织结构的一个物理量，体积密度越高，材料的宏观组织结构越致密，体积密度越低，材料的宏观组织结构越松散。计算公式：体积密度=质量/体积 体积密度的单位为：克/厘米g/cm 质量的单位为：克g 体积的单位为：厘米cm 单位换算：1 吨=1000 千克公斤，1 千克公斤=1000 克g，1 克g=1000 毫克mg，1 毫克mg=1000 微克g 1 千米公里=1000 米m 1 米m=10 分米dm=100 厘米cm=1000 毫米mm，1 毫米mm=10 丝米dmm=100 忽米cmm=1000 微米
23、 m 1 微米m=1000 纳米(nm)1 纳米(nm)=一亿分之一米m，如果把纳米看作乒乓球的话，那么米的大小就约是地球般大小。我们可以根据国内外不同用户给出的不同单位换算成克/厘米g/cm后进行计算，比对行业标准和企业内部理化指标，做到心中有数，以便于与用户沟通。圆柱体产品按下式计算：体积密度=质量直径直径长度 长方体产品按下式计算：体积密度=质量长度宽度高度厚度 电极带扣产品大致按下式计算：体积密度=电极本体重量+一个同规格配套接头重量直径直径长度 各种异型产品的体积密度如果体积可以计算出来的话，就精确计算体积后进行计算，如果不能精确计算体积时，就按排水法近似地测出体积后进行计算。因为体
24、积密度直接反响了材料宏观组织结构的致密程度，间接反响了材料的强度等，是一个重要的物理量，故在用户的要求中占有相当重要的地位。但因为碳石墨材料在整个制造过程中，由于原材料、配方、成型方法、热处理温度、是否浸渍处理、工艺装备、人员素质、管理水平等的不同，体积密度的差异性很大，会在很大的范围内波动。国外产品体积密度的波动范围较小；国内产品波动范围较大，不同批次、同一批次的不同个体、同一产品的不同部位均有较大范围的波动。一般人造石墨的体积密度在 5 g/cm g/cm。B.真密度 是表征材料微观组织结构的一个物理量，真密度越高，材料的微观组织结构越完善，真密度越低，材料的微观组织结构越不完善。真密度的
25、单位与体积密度相同 真密度通过实验方法测得，生产中用溶剂置换法测定，科学技术上用 X 射线衍射法来测定。真密度直接反响了材料微观组织结构的完善程度，间接反响了材料的热处理温度，对材料的导电、导热性能、抗氧化性能、耐高温性能、耐酸碱腐蚀性能等都有重要影响。g/cm，各种人造石墨材料的真密度通常为 g/cm g/cm。C、气孔率：碳素材料的气孔分为开口气孔、闭口气孔、贯穿气孔。故气孔率也分为全气孔率和显气孔率，显气孔率不含闭口气孔。碳素材料的全气孔率计算公式如下：全气孔率=真密度体积密度/真密度100%几种碳素材料的全气孔率如下：炭电极：1725%，石墨电极：2230%，炭块：一五0%，过滤材料：
26、30-60%，浸渍结构材料：0-3%，电炭材料：10-20%碳素材料的气孔率反响了材料的气孔占总体积的比重，气孔率的大小决定了材料的适用范围，对结构性材料来说气孔率大是有害的，对某些功能性材料如过滤材料来说气孔率大是有益的。气孔率的大小反响了材料是否会被气体、液体、熔液通过的能力大小。一般来说气孔率大那么材料的强度低、导电导热性差、抗氧化性、耐腐蚀性、防渗漏性差。反之那么相反。2机械力学方面：包括机械强度、弹性模量、蠕变、摩擦性能等。A、碳素材料的机械强度有抗压强度、抗折强度、抗拉强度等，机械强度即材料抵抗外力破坏的极限抵抗能力，抗压强度就是材料在受到压力作用时被压碎的一瞬间，压力表上读出来的
27、压力值，即为此材料的抗压强度。抗折强度、抗拉强度与抗压强度的道理是一样的，抗折强度是材料在受到折断力、抗拉强度是材料受到拉力时所反映出来的极限抵抗力。碳素材料的机械强度是通过实验方法测得的，其单位为 Mpa兆帕。帕即帕斯卡；兆即 106，即 1000000一百万。1Mpa约等于10kg/cm在我们行业里直接按1Mpa=10kg/cm计算 碳素材料的机械强度中的抗拉强度约为抗折强度的一半；抗折强度又约为抗压强度的一半，人造石墨材料0.60。碳素材料的比强度在常温下属于中等，在 2500以内，它的比强度随着温度的升高而增大。所以碳素材料作为高温材料有 其独特的优越性。B、碳素材料的弹性模量：弹性模
28、量是在弹性变形的范围内，材料所受应力与应变的比值即为弹性模量，通常采用杨氏模量。弹性模量为表征材料刚性的一个物理量，对碳素材料而言，弹性模量高为脆性材料，弹性模量低为韧性材料。一般碳素材料的弹性模量比拟低，石墨晶体、石墨晶须、热解石墨、和高模量碳纤维的弹性模量比拟高。一般碳素材料在室温下根本上属于脆性材料，容易发生断裂。弹性模量的单位为 Gpa。1Gpa=1000Mpa。C、蠕变：碳素材料在一定压力作用下，会发生不可逆的塑性变形，这就是蠕变，在 2000以上可以看到明显的蠕变，炭材料比石墨材料的蠕变更大，而且在更低的温度下就发生。碳素材料的蠕变也具有方向性，一般平行于晶粒方向上的蠕变小于垂直方
29、向。D、石墨材料的摩擦性能：石墨材料的优点在于既耐磨，又具有润滑性，这是由于石墨晶体易于沿晶体层面方向剥离，在摩擦面上形成极薄的石墨晶体膜，而使摩擦系数显著降低，这也是石墨材料为什么具有自润滑性的原因。石墨的自润滑性有赖于水和空气的存在，工作环境中水份低于 5 g/cm那么石墨的磨损率增大。在温度 300400的空气中，由于石墨受强烈氧化而导致摩擦系数增大，而在中性和 复原性介质中，即使温度到达 3001000也还能保持良好的耐磨性。3、碳素材料的热学性质：固体材料的热学性质实质上是晶格热振动在各方面的表现。固体材料的比热容、热膨胀、热传导都直接与此有关。碳素材料的热学性质有热容、熵、蒸气压、
30、热导率、热膨胀系数、抗热震性等，我们主要介绍热导率、热膨胀系数、抗热震性三项。A、热导率：通俗地讲热导率就是材料传导热量的效率。石墨材料是一种良好的导热体，它的热导率可与一些金属媲美，但另一些碳素材料如多孔炭、炭布、炭毡等却为高温隔热体。石墨的热导率呈各向异性，随温度的升高而减小，大致与绝对温度成反比。碳素材料的热导率与石墨化度有关，石墨化度愈高，那么热导率愈高。石墨材料的热导率要高于炭材料几倍至几十倍。热导率的单位是 W/mK。B、热膨胀系数CTE：固体材料的长度随温度升高而增大的现象称为线热膨胀。线热膨胀系数表征了材料在高温情况下尺寸变化的大小，碳素材料的线热膨胀系数比金属小得多，而且石墨
31、化程度愈高，线热膨胀系数愈小。因在高温下尺寸变化很小，所以碳素材料适合在高温 环境下作为耐高温结构材料被广泛使用。热膨胀系数CTE的单位是 10-6/。C、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，假设材料不能及时把热传走，材料外表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，当应力到达极限强度时，材料就被破坏。碳素材料的抗热震性较强，石墨的耐热冲击系数远远大于其他材料。耐热冲击系数=热导率抗拉强度/线热膨胀系数杨氏弹性模量 为了提高制品的抗热震性应该从减小热应力的产生，缓冲热应力的开展以及增强抵抗热应力的破坏的能力三方面考虑。
32、4碳素材料的电学和磁学性质：A、碳素材料的电学性质：石墨在非金属材料中可以说是最好的导体，它的导电性接近一些金属的导电性。这与石墨晶体的原子的微观排列有关系。石墨的导电性有明显的各向异性，天然鳞片石墨和热解石墨的各向异性比可高达 10000。-1.4。各种碳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。石墨材料的电阻率的测定可以将产品磨成小样通过实验检 测，也可以对整支制品直接测量。对整支制品直接测量时，遵循以下两个公式：R=U/I R=L/S 那么 U/I=L/S =US/IL R 为电阻，单位为欧姆；U 为电压，单位为伏特V；I 为
33、电流，单位为安培A；为电阻率，单位为微欧米m；S 为材料的截面积，单位为米m；L 为材料的长度，单位为米m。1=1000m=1000000 1 V=1000m V=1000000V 1 A=1000m A=1000000A 在整支制品测量的过程中，材料的截面积是一定的，电阻率测定仪的输出电流是一定的，材料的长度即电压降的长度是固定的，那么 S/IL 就是个常数，只要读出电压 U 值，就可算出电阻率。B、碳素材料的磁学性质：碳素材料的磁学性质主要有磁化率、平均抗磁性磁化率、磁阻等。碳素材料磁化后产生的磁场强度方向与磁场强度方向相反，所以它是抗磁性物质，其磁化率X为负值。大多数碳素材料的磁化率呈现
34、明显的各向异性。各种碳素材料在不同温度下的平均抗磁性磁化率值与其微晶大小有关，因此测定石墨材料的抗磁性磁化率是研究石墨晶体发育程度的一种方法。磁阻与碳素 材料的热处理温度有密切关系，当热处理温度在 2400以下时，碳素材料的磁阻为负值，当热处理温度在 2400以上时，碳素材料的磁阻呈线性增加，因此，磁阻是评价石墨化度极其灵敏的指标之一。5碳素材料的化学性质：碳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，碳也和其他物质发生作用，其主要反响有：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。A、在常温下，碳与各种气体不发生化学反
35、响。在 350左右，无定型碳即有明显的氧化反响，石墨要到 450左右才开始氧化反响。石墨化程度愈高，石墨的晶体结构愈完整，其反响活化能大，抗氧化性能好。在 800以内，到达同一氧化速度的温度，石墨材料约比炭材料高 50100。在同一材料内，粘结剂炭有被优先氧化的倾向，所以氧化反响进行到一定程度时，骨料颗粒会发生脱落。碳与气体之间反响属于气固反响，它的反响速度在 800以内时，反响速度与材料的气孔率有关，气孔率大，特别是开口气孔多，那么氧化速度就快。当温度高于 800时，氧化反响只发生在外表，氧化速率受外表气流速度所支配，与材料种类关系较小。碳素材料所含杂质对氧化反响起催化作用，所以高纯石墨与
36、普通石墨的氧化性有明显差异。B、碳化物的生成：在高温下，碳溶解于 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、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 4TaC1ZrC 或 4TaC1HfC 的熔点为 4200K，是熔点最高的物质。碳和碱金属、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，大局部化学性质稳定性较差，在水和稀酸中分解。6、碳素材料的核物理性质 核反响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，不易为核燃料所俘获，因此核裂变不能继续
37、下去。必须用减速材料将其降为慢中子，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，以提高中子的利用率；能长期经受快中子和其他高能粒子的轰击而变化很小；化学稳定性好，不与裂变区内的物质发生化学反响。核石墨材料作为核反响堆的反射材料其散射截面大，吸收截面小，而一般石墨都含有杂质，而某些杂质如镉、硼、稀土金属等的吸收截面十分大，所以核石墨必须是高纯石墨。石墨材料的减速比要比重水小得多，但高于其他材料。重水 是最理想的减速材料，但生产本钱非常高。而石墨生产本钱比重水低得多，所以从世界上第一座核反响堆开始就采用石墨作为
38、减速材料。7、碳素材料的生物相容性：碳素材料的生物相容性，通俗地讲就是可以用其作为人体的替代材料时，没有排异性或有很小的排异性，完全可以作为人体的补缀材料使用。碳素材料的生物相容性很好，全世界几十万人植入人造心脏瓣膜碳素材料的临床失效率不到万分之一。目前，已有炭质人造心脏瓣膜、炭质人工骨、炭质人工关节、炭纤维人工韧带和人工气管等。4碳石墨材料的分类及用途(1)、按生产所属系统分类：由于历史的原因，中国通常把碳素厂生产的产品，称为碳素制品，如石墨电极、炭块、糊类等，一般规模比拟大，单个重量有超过一吨的，产量也多。而把电碳厂生产的产品称为电碳制品，如各类电机用电刷和密封环等，电碳制品一般比拟小，多
39、数以克计。2、按用途分类：A、导电用炭/石墨材料 如电弧炉用的石墨电极，熔盐电解槽用的阳极等。B、高温耐火材料用炭/石墨材料 如铝电解槽用底块、半石墨质炭块、含硅炭块和石墨块等。C、耐磨用炭/石墨材料 如和不同磨擦付匹配的炭质、石墨质、浸树脂、浸金属的炭/石墨材料、炭/炭复合材料等。D、高温模具用石墨材料 如黑色或有色金属连铸用石墨、1000以上的高温热压模、冶炼硬质合金用的舟、皿、精密铸造用的石墨模具，半导体和集成电路用的烧结模和电火花加工用的模具电极等。E、作电加热元件 如石墨发热棒、石墨发热管、石墨纤维带发热体。F、作高温隔热材料 如可用于一八 00-3000的隔热材料炭毡、石墨毡和泡沫
40、炭等。G、作生物工程材料 如炭质人造心脏瓣膜、炭质人工骨、炭质人工关节、炭纤维人工韧带和人工气管等。H、作核反响堆用结构材料 如石墨慢化材料、石墨反射材料、热解炭涂层燃料球等。I、作高温润滑剂 如金属拉丝用石墨乳剂和氟化石墨等 J、作吸附材料 如活性炭和活性炭纤维。K、化工用炭/石墨耐腐蚀材料 如石墨热交换器、石墨泵、石墨吸收塔和化工容器的耐腐蚀衬板等。L、作先进复合材料的增强材料 如炭纤维、炭布、三向及多向炭纤维编织物。3、按材质分类 A、石墨制品 如石墨电极、石墨阳极、核石墨和细结构石墨等。这类制品的共同特点是：都采用少灰焦为原料，经 2500以上高温石墨化处理，都是石墨质的。B、炭制品
41、如预焙阳极、各种炭块和炭电极等。这类产品的共同特点是：只经过一三 00焙烧，所以都是炭质的，而不是石墨质的。主要有炭电极、炭阳极、炭块和炭砖、炭电阻棒、炭棒等。炭电极是以无烟煤和冶金焦为主要原料有时也用石油焦和沥青焦生产的导电材料。它的电阻率高，导热性和抗氧化性均不如石墨电极，灰分高，但其在常温下的抗压强度要比石墨电极高，其生产本钱仅为石墨电极的 1/2。炭电极用在小型电弧炉和生产铁合金、黄磷及刚玉等电弧炉作为导电电极。使用炭电极时通过的电流密度要比石墨电极低得多。所以，同容量的电弧炉使用炭电极时，其直径要比石墨电极大。炭阳极又称预焙阳极主要以石油焦和沥青焦作为原料。用于铝电解槽中作为阳极导电
42、材料。在电解过程中，预焙阳极不仅作为导电体，而且也参与化学反响。每吨 铝的炭阳极消耗 500-550kg。炭块为冶金行业大量使用的炭质耐火材料，它具有良好的导热性、导电性、化学稳定性、高温体积稳定性及高温强度。炭块可以分为高炉炭块、电炉炭块及铝电解槽用炭块。高炉炭块在 1920 年德国即开始使用，目前，大型高炉从炉底、炉缸到炉腹等部位大量使用炭块砌筑，有的一直砌到炉身。铝电解槽用炭块用于砌筑铝电解槽的内衬，并作为阴极导电材料。电炉炭块用于砌筑电石炉、铁合金炉、石墨化炉的炉底、炉缸和炉墙。炭砖那么在化工设备中作为耐腐蚀的衬里使用。炭电阻棒又称炭素格子砖以沥青焦为原料，主要用于竖式电阻炉生产氯化镁
43、时作发热体和填充材料。炭棒的品种很多，按其应用特征可分为照明炭棒、加热炭棒、导电炭棒和光谱分析用炭棒。照明炭棒主要利用电弧光能，可用于电影放映、照相制版、探照灯、电影摄影等需要高光强的地方。炭弧气刨用炭棒是利用炭电弧有高达 4000以上的温度，主要用于钢铁、黄铜、硬质合金、不锈钢等铸、构件开焊槽，铲平焊缝、浇口、废边、毛刺以及切割、打孔、修补等作业。焊接炭棒用作电弧焊接的电极，即利用炭棒与炭棒或炭棒与金属间产生的电弧热进行焊接。精密铸造用炭棒、电池用炭棒、接地用炭棒、电解锰用炭棒都是利用其导电性能，作为导电电极。光谱分析用炭棒用作分光分析的摄谱仪的炭电极。C、糊类制品 如阳极糊、电极糊等。它们
44、生产工序简单，把不同的碳素煅 烧料，经配料、混捏即成，既不成形也不焙烧和石墨化，实际是半成品。电极糊是供应铁合金炉，生产电石和黄磷的电炉作为消耗性导电材料用，是一种自焙电极。所谓自焙电极就是在金属外壳里充填电极糊，在炉子高温和电流通过电极时产生热量的作用下，电极糊进行焙烧，而使之成为导电电极。阳极糊是供铝电解槽作为阳极导电材料，阳极糊烧成后的炭电极除导电外还参与电解反响。砌筑炭块时经常用的填缝及粘结糊有底部糊、粗缝糊、细缝糊。砌筑铝电解槽的底炭块时，先在底部铺一层底部糊，放上炭块后在每行炭块与炭块宽缝间也填塞经捣碎或加热呈软化状的粗缝糊。有些小型铝电解槽的底部及炉壁全部用底部糊捣制而成。粗缝糊
45、是供砌筑高炉炭块时填塞宽缝隙用，细缝糊是填塞较小缝隙时用。D、碳纤维及其织物 如碳纤维长丝、短切碳纤维、炭毡、石墨毡、各种炭布、混织布和多向编织。E、碳纤维增强树脂复合材料 这是碳纤维和各种树脂复合的一种新材料 F、碳纤维增强炭复合材料 这是碳纤维和炭复合的一种新材料。G、膨胀石墨材料 这是一种以天然鳞片石墨为原料制得的一种柔性石墨材料。H、热解炭和热解石墨 这是一种以碳氢化合物气体热解制得的一类产品。I、不透性石墨材料 这是一类用不同树脂或其他材质，浸渍石墨制得的不透性材料，也可用树脂和石墨粉混合成型制得。J、其他如玻璃炭、塑料成型炭、多孔炭、COPNA 树脂等，有的数量不多，有的还处于开发
46、阶段，可一并列入特种碳素材料类中。4、本行业还有一种分类方法，就是按配方的颗粒度来分 A、粗颗粒料有人也称为电极料 即配方最大颗粒度大于以上的配方料，如大规格碳电极、石墨电极，电极糊、阳极糊、粗缝糊、炭块等，为传统的炭石墨产品，配方中的大颗粒料起骨架作用，可以提高产品的耐高温、抗氧化性、提高产品的耐腐蚀性、抗热震性和材料的整体结构强度。此类产品加工后外表粗糙，产品内部气孔率大。B、中粗结构料也有人称为细结构料 即配方最大颗粒度不大于 0.8mm 的配方料，一般指振动成型大方料、圆饼，或挤压成型最大颗粒度不大于 0.8mm 的配方料，以及模压成型最大颗粒度不大于 0.8mm 的配方料。此类产品加
47、工后外表较细腻，产品内部气孔率较小。适合作为结构性材料，一般中粗结构料都加工成各种异型产品使用。如各种舟、皿、管、环、套、各种模具、发热体等。中粗结构料行业内也有些人称为“细结构料但这是一种不确切的叫法。C、细结构料 特指模压高纯、高密、高强石墨或等静压石墨。这类产品一般配方中都使用325 目以下0.043mm的料。此类产品加工后外表很细腻，产品内部气孔率很小。适合作为结构性材料，用途相当广泛。随着下游行业要求的不断提高，此类产品的颗粒度越来越小，现在细结构料已经逐步开展成超细结构材料了，国外的产品的颗粒度已经到达微米级，有些产品的颗粒度仅有 1-2 个微米。等静压石墨材料的应用领域很广。它是
48、制造单晶硅炉、金属连铸石墨结晶器、电火花加工用石墨电极等不可缺少的材料。主要应用领域介绍如下：a、直接式单晶硅炉用石墨材料 半导体单晶硅采用石墨材料制造坩埚、加热器、隔热屏及配件，当前是信息技术为核心的时代，半导体材料是信息技术的根底。太阳能方面更是前景广阔，近几年单晶硅产量可达 3000 吨，单晶硅产量与石墨材料的消耗量据推算是 1:1.5，那么石墨的用量可达5000-7000 吨。b、有色冶金连续铸造用石墨材料 为了缩短工艺流程、降低本钱、提高质量、减少劳动强度和对环境的污染，20 多年来金属材料生产逐渐向连续铸造方向开展。至今铜、铝材根本实行了连续生产，结晶器用高纯石墨，等静压石墨主要应
49、用于大型铜材生产线。自 1985 年我国从奥地利、法国、瑞士、日本等国先后引进 30 多条生产线，国内自行设计制 造的生产线也已达 100 多条，均采用石墨结晶器。据统计 2006年我国铜材产量已达 360 多万吨，其中大局部采用连铸，按每吨铜材需要 2.5 公斤计算，年需石墨 486 吨，那么石墨毛坯需 2700吨，预测近年石墨年需可达 4000 吨。另外钢材连铸产量已达 80%，但结晶器大局部未采用石墨。c、电火花加工用石墨：电火花加工是模具加工行业的一次革命，它不仅简化了传统工艺手段，而且使制造异型模具成为可能。40 年来开展很快，据全国模具行业协会统计，全国具有一定规模的模具制造厂家已
50、超过一万家。使用的石墨电极以小规格为主。年需石墨 3000-4000 吨。等静压石墨因具有各向同性的优点，是制造电火花的最正确材料，目前在大型模具中使用，具体用量尚待进一步收集和调查。d、单晶硅生产石英坩埚用石墨材料：石英坩埚是直拉单晶硅炉的容器，而制造石英坩埚用石墨坩埚作为成型材料。如锦州新华石英玻璃厂使用350345mm 的石墨坩埚，从日本进口每个 3500 元，据介绍几年内年需石墨可达5000 吨。e、其他方面：此外，等静压石墨在硬质合金真空炉发热器、烧结板、采矿制造钻头模具、化工换热器及防腐件、冶金坩埚、机械机械密封、宇航喷嘴等、石墨反响堆减速材料和反射材料等领域被广泛使用。因此等静压