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详解炭素材料与石墨材料的区别!

2021-09-13

由于炭素材料与石墨材料在外观、特性上有较多的相似点,现实中很多人不太了解如何去区分二者间的关系。本文就此作一下详解介绍。

碳元素存在三种最常见的同素异形体:无定形碳、石墨、金刚石。


金刚石分子结构及外观图

 
金刚石 

它是一种由碳元素组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物质,素有“硬度之王”和宝石之王的美称。金刚石的结晶体的角度是54度44分8秒。20世纪50年代,美国以石墨为原料,在高温高压下成功制造出人造金刚石,至今人造金刚石已经广泛用于生产和生活中。


无定型碳
一般指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。除骨炭含碳在10%左右以外,其余主要成分都是单质碳。煤炭是天然存在的无定形碳,其中含有一些由碳、氢、氮等组成的化合物。所谓无定形碳,并不是指这些物质存在的形状,而是指其内部结构。实际上它们的内部结构并不是真正的无定形体,而是具有和石墨近似结构的晶体,只是由碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱且不规则,晶体形成有缺陷,而且晶粒微小,含有少量杂质。
大部分无定形碳是石墨层型结构的分子碎片大致相互平行地,无规则地堆积在一起,可简称为乱层结构。层间或碎片之间用金刚石结构的四面体成键方式的碳原子键连起来。当这种四面体的碳原子所占的比例多时,则无定型碳会比较坚硬,如焦碳和玻璃态碳等属于这种情况。


无定形碳分子结构及外观图


工业上常用的炭素制品是指使用无定型碳原料(例如煤炭、石油焦、沥青焦等)提纯后的碳制品。随原料和加工工艺的不同,这类炭素制品中的碳元素晶体结构含的石墨晶体结构比例会有所不同。一般来说是含的石墨晶体结构成分越多,碳的纯度越高,性能和价格就越高。

由于炭素材料与石墨材料本质上的区别并不大,很多炭素制品也被冠以了“石墨XX”的称谓。这也是石墨和炭素两个词汇概念产生混淆的根源。例如炼钢工业中常用的大型电极称为“石墨电极”,其实它是炭素制品,并非真正意义上的石墨制成的电极。从外观形式上说,常见炭素制品体积较大,如冶金用电极、冶炼炉的内衬砖(炭素块),炭素散热器等等。


石墨分子结构及外观图


石墨

是元素碳的一种同素异形体,每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子(排列方式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合,构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子,那些电子能够自由移动,因此石墨属于导电体。石墨有天然石墨和人造石墨之分。天然石墨矿又分为土状石墨和鳞片石墨,其中鳞片石墨是更为优质的天然石墨。

人造石墨则是指将属于无定型碳分类的炭素材料进深加工,提高了碳的纯度,进一步增加了石墨状晶体结构的比例后获得的石墨材料。石墨材料跟炭素材料一样可以制成电极、耐火材料等工业品。但是由于其具有更多的优异特性,在许多高端领域都有应用。例如耐高温润滑剂、电池材料包覆改性等等。

炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料,其中炭材料基本上由非石墨质碳组成的材料,而石墨材料则是基本上由石墨质碳组成的材料。为了简便起见,有时也把炭和石墨材料统称为炭素材料(或碳材料)。

炭素制品按产品用途可分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类、炭素纤维类、特种石墨类、石墨热交换器类等。石墨电极类根据允许使用电流密度大小,可分为普通功率石墨电极。高功率电极、超高功率电极。炭块按用途可分为高炉炭块、铝用炭块、电炉块等。
炭素制品按加工深度高低可分为炭制品、石墨制品、炭纤维和石墨纤维等。炭素制品按原料和生产工艺不同,可分为石墨制品、炭制品、炭素纤维、特种石墨制品等。炭素制品按其所含灰分大小,又可分为多灰制品和少灰制品(含灰分低于l%)。
石墨在工业上运用极广,几乎每个行业都会用到。工业上多用的是人造石墨,也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几种。
1.等静压石墨。也就是很多人叫的三高石墨,但是并不是三高就是等静压。
2.模压石墨
3.挤压石墨,多为电极材料。
其中按石墨的颗粒度分,也可分为:细节构石墨、中粗石墨(一般的颗粒度在0.8mm左右)、还有就是电极石墨(2-4mm)。
我国炭素制品的国家技术标准和部颁技术标准是按产品不同的用途和不同的生产工艺过程进行分类的。这种分类方法,基本上反映了产品的不同用途和不同生产过程,也便于进行核算,因此其计算方法也采用这种分类标准。下面介绍炭素制品的分类及说明。

一、炭和石墨制品
(一)石墨电极类
主要以石油焦、针状焦为原料,煤沥青作结合剂,经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成,是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体,根据其质量指标高低,可分为普通功率、高功率和超高功率。石墨电极包括:
(1)普通功率石墨电极。允许使用电流密度低于 17A/厘米2的石墨电极,主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。
(2)抗氧化涂层石墨电极。表面涂覆一层抗氧化保护层的石墨电极,形成既能导电又耐高温氧化的保护层,降低炼钢时的电极消耗。
(3)高功率石墨电极。允许使用电流密度为18~25A/厘米2的石墨电极,主要用于炼钢的高功率电弧炉。
(4)超高功率石墨电极。允许使用电流密度大于 25A/厘米 2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。

(二)石墨阳极类
主要以石油焦为原料,煤沥青作粘结剂,经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、浸渍、石墨化、机加工而制成。一般用于电化学工业中电解设备的导电阳极。包括:
(1)各种化工用阳极板。
(2)各种阳极棒。

(三)特种石墨类
主要以优质石油焦为原料,煤沥青或合成树脂为粘结剂,经原料制备、配料、混捏、压片、粉碎、再混捏、成型、多次焙烧、多次侵渍、纯化及石墨化、机加工而制成。一般用于航天、电子、核工业部门。
它包括光谱纯石墨,高纯、高强、高密以及热解石墨等。

(四)石墨热交换器
将人造石墨加工成所需要的形状,再用树脂浸渍和固化而制成的用于热交换的不透性石墨制品,它是以人造不透性石墨为基体加工而成的换热设备,主要用于化学工业。包括:
(1)块孔式热交换器;
(2)径向式热交换器;
(3)降膜式热交换器;
(4)列管式热交换器。

(五)炭电极类
以炭质材料如无烟煤和冶金焦(或石油焦)为原料、煤沥青为粘结剂,不经过石墨化,经压制成型而烧成的导电电极。它不适合熔炼高级合金钢的电炉。包括:
(l)多灰电极(用无烟煤、冶金焦、沥青焦生产的电极);
(2)再生电极(用人造石墨、天然石墨生产的电极);
(3)炭电阻棒(即炭素格子砖);
(4)炭阳极(用石油焦生产的预焙阳极);
(5)焙烧电极毛坯。

(六)炭块类
以无烟煤、冶金焦为主要原料,煤沥青为粘结剂,经原料制备、配料、混粘、成型、焙烧、机加工而制成。其中高炉炭块作为耐高温抗腐蚀材料用于砌筑高炉内衬;底部炭块、侧部炭块、电炉块则用于铝电解槽和铁合金电炉等。包括:
(1)高炉炭块;
(2)铝槽炭块(底部炭块及侧部炭块);
(3)电炉炭块。

(七)炭糊类
以石油焦、无烟煤、冶金焦为主要原料,煤沥青为粘结剂而制成。有的用于各种连续自焙电炉作为导电电极使用的电极糊;有的用于连续自焙式铝槽作为导电阳极使用的阳极糊;有的用于高炉砌筑的填料和耐火泥浆的粗缝糊和细缝糊。高炉用自焙炭块虽用途不同,但和糊类制品的生产工艺相仿,暂归在糊类制品内。包括:
(1)阳极糊;
(2)电极糊(包括标准、非标准电极糊);
(3)底糊(包括多灰、少灰底糊);
(4)密闭糊(包括多灰、少灰密闭糊);
(5)其它糊(包括粗缝糊、细缝糊、自焙炭砖等)。

(八)非标准炭、石墨制品类
这是指用炭、石墨制品经过进一步加工而改制成的各种异型炭、石墨制品。包括铲型阳极、制氟阳极以及各种规格的坩埚、板、棒、块等异型品。

(九)不透性石墨类
这是指经树脂及各种有机物浸渍、加工而制成的各种石墨异型品,包括热交换器的基体块。

(十)电炭产品类
这是指炭精棒、电刷等产品。

二、炭素纤维

它包括各种炭纤维、石墨纤维、预氧丝、炭布、炭带、炭绳、炭毡及其复合材料。其中炭纤维为含碳量高于93%的纤维。用聚丙烯睛纤维、粘胶丝和沥青纤维经碳化制成。热处理温度由低至高,可分别制成耐热纤维、碳化纤维和石墨纤维。
      
综上所述,从宽泛的意义上说:炭素材料其实是含有较多无定型碳结构的碳材料。石墨材料则是以石墨晶体为主的碳材料。二者都具有很多相同共性,但又有明显区别。

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