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行业新闻

石墨粉(一种耐低温、导电材料)

时间:2023-06-25 09:12:58 点击:286次

材质介绍

在不同低温下与氧气反应生成氢气或一氧化碳; 卤素中,只有氟能与简单碳直接反应; 在加热下,石墨粉更容易被酸氧化; 在低温下,它可以与许多金属反应形成金属基体,可以在低温下制造钢金属。

材料特性

石墨粉是一种物理反应非常敏感的物质。 它的电阻率在不同的环境下会发生变化,即它的电阻值会发生变化,但有一点是不会改变的。 石墨粉非常好。 金属导电物质之一,只要将石墨粉不间断地放在绝缘物体上,就会像细线一样通电,而内阻值没有准确的数字,由于石墨粉的厚度不一样,不同材质和环境下使用的石墨粉内阻值也会不同。 由于其特殊的结构,石墨具有以下特殊性能:

1)耐低温型:石墨的熔点为3850±50℃,沸点为4250℃。 虽然是超低温电弧燃烧,但重量损失很小,热膨胀系数也很小。 石墨的硬度随着温度的升高而增加,在2000℃时,石墨的硬度增加一倍。

2)导电、导热性:石墨的导电率比普通非金属矿物高100倍。 导热系数超过钢、铁、铅等金属材料。 热导率随着空气温度的下降而降低,即使在极高的湿度下,石墨也可以起到热绝缘体的作用。

3)润滑性:石墨的润滑性能取决于石墨片的尺寸。 薄片越大,摩擦系数越小,润滑性能越好。

4)物理稳定性:石墨在常温下具有良好的物理稳定性,耐酸、碱和有机溶剂。

5)可塑性:石墨具有良好的硬度,可以连接成很薄的片材。

6)耐光冲击性:石墨在室温下使用时可以承受湿度的剧烈变化而不损坏。 当温度突变时,石墨的体积不会发生太大变化,不会形成裂纹。

应用领域

1、作为耐火材料:石墨及其制品具有耐低温、高硬度的性能。 它们主要用于制造冶金工业中的石墨坩埚

2、作为导电材料:在电气工业中用于制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流装置的负极、石墨垫片、电话零件、电视显像管的涂料等。

3、作为耐磨润滑材料:石墨在机械工业中常被用作润滑剂。 在高速、高温、高压条件下往往不能使用润滑油,而石墨耐磨材料可以在(1)200~2000℃高滑动速率下无润滑油工作。 许多输送腐蚀性介质的设备广泛采用石墨材料制作活塞皮碗、密封圈和轴承,运行时不需要添加润滑油。 石墨乳也是许多金属加工(拉丝、拉管)的良好润滑剂。

分类

高纯度亚微米石墨颗粒的应用范围非常广泛:电子信息用显像管、显示器制造行业用黑色导电油墨、液晶显示器组成的器件、传感器和颜色解析器上使用的感光黄色漆膜、平板显示器等。彩色液晶等离子三基色用于改善发射效果和色彩对比度,超细钨、钼拉丝等油墨,中间润滑油和润滑脂制造,高性能蓄电池泡沫铁镍制造高纯亚微米石墨颗粒广泛应用于感光胶片等诸多行业。

高纯石墨超细粉包括胶体石墨粉,主要用于毛笔、粉末冶金、润滑油、润滑脂、干电池、导电油墨、润滑油墨、国防科委、科研机构等。 我国生产的胶体石墨粉是我国石墨行业发展的排头兵,部分技术已达到国际领先水平。

花岗岩(密封防粘脂)性能及用途:耐低温3000摄氏度,耐高压40KG,用于船舶、飞机、机车、汽车、工程机械及各种小型石油、化工、电机等金属粘接表面,法兰连接处的密封和防粘。

特种石墨油墨:水性石墨油墨、导电石墨油墨、溶解石墨油墨、内外石墨油墨、拉丝石墨油墨、润滑石墨油墨、玻璃纤维油墨、电视石墨油墨及特种油墨、各种非金属材料、纳米级材料制作流程、设计方案。 经营各类防腐设备,承接各类防腐设备加工。 品种多样、尺寸齐全,产品执行《中华人民共和国国家标准》。 设计制造各类精细化工设备、各类球磨机及特种机械的配方工艺。

使用

行业

石墨具有良好的物理稳定性。 经过特殊加工的石墨具有耐腐蚀、导热性好、渗透性低等特点,广泛应用于制作热交换器、反应罐、冷凝器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器等装置、泵设备。 广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门,可节省大量金属材料。

铸造、铸造、造型及低温冶金材料:由于石墨热膨胀系数小,但能快速冷却和快速热变化,可用作玻璃器皿的铸造模具。 使用石墨后,白色金属可获得规格准确、表面洁白、成品率高的毛坯。 无需加工或稍加加工即可使用,节省大量金属。 在硬质合金和其他粉末冶金工艺的生产中,一般采用石墨材料来制造瓷舟,进行成型和烧制。 单晶晶体生长坩埚、区域精炼容器、支架夹具、感应加热器等均采用高纯石墨制成。 据悉,石墨还可用作真空炼铁、低温内阻炉管、棒、板、栅等器件的石墨绝热板和底座。

石墨可以防止窑炉酸败。 有关单位试验表明,在水底添加一定量的石墨粉(每斤水约4~5克),可以避免窑炉表面结垢。 据悉,金属水塔、屋顶、桥梁、管道上的石墨涂层可以防止腐蚀和生锈。

石墨可用作笔芯、颜料和抛光剂。 石墨经特殊加工后可制成各种特种材料用于相关工业部门。

据悉,石墨还是轻工玻璃、印染的抛光剂、防锈剂,是制造钢笔、墨水、黑漆、墨汁、人造金刚石、钻石等不可缺少的原料。 是一种非常好的节能环保材料,日本已将其用作汽车电池。 随着现代科学技术和工业的发展,石墨的应用领域仍在不断扩大,已成为高新技术领域新型复合材料的重要原材料,在国民经济中发挥着重要作用。

国防

用于原子能工业和国防工业:石墨是原子反应堆良好的中子慢化剂,铀石墨反应堆在原子反应堆中得到广泛应用。 作为动力用原子能反应堆中的减速材料,应具有高熔点、稳定性和耐腐蚀性。 石墨完全可以满足上述要求。 原子反应堆使用的石墨含量很高,杂质浓度不能超过几十PPM。 尤其是其中硼浓度应大于0.5PPM。 在国防工业中,石墨还用于制造固体燃料格栅喷嘴、潜艇鼻锥、航空航天设备零件、隔热材料和防射线材料等。

传导原理

一般来说,橡胶是绝缘的。 如果需要导电,就需要添加导电物质。 石墨粉具有良好的导电性、润滑性和脱模性。 石墨加工成石墨粉,具有优良的润滑性和导电性。 石墨粉含量越高,导电性能越好。 很多特种橡胶制品厂都需要导电橡胶,那么橡胶中添加石墨粉可以导电吗? 答案是肯定的,但是还有一个问题,橡胶中石墨粉的比例是多少? 有的企业使用比例不超过30%。 此类型用于耐磨橡胶制品,如车辆轮胎等,也有特种橡胶厂使用比例为100%。 只有这样才能导电。 原理是导体不能中断,就像电缆一样,如果中间断了,就不会通电。 导电橡胶上的导电石墨盒就是导体。 如果石墨粉被绝缘橡胶切断,就不会导电。 所以石墨粉的导电效果比柱子差,看来疗效也不好。

热传导

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石墨导热()

当石墨体呈现室温梯度时,热量从低温流向高温。 表征石墨导热性能的参数是导热系数。 导热系数I是单位时间、单位面积通过的热量q(热流密度)与空气温度梯度的比值系数。

q=–λ

(1)中的负号表示热流方向与空气温度梯度方向相反。 方程(1)通常被称为热传导傅里叶定理。 设垂直于x轴方向的截面积为ΔS,则材料沿x轴方向的水温梯度为dT/dx,在Δτ时间内,沿正方向流经ΔS截面的热量x轴的ΔQ为ΔQ,在稳定传质状态下,式(1)的形式为:

(2) 导热系数的法定单位是W·m·K。 对于不稳定的传质过程,即物体各处水的温度随时间而变化。 与外界没有热交换且具有室温梯度的物体,随着时间的推移,温度梯度会趋于零,即热端温度不断升高,冷端温度升高继续降低,最终达到稳定的平衡温度。 在这些不稳定的传质过程中,物体内单位面积的湿度随时间的变化率为:

(3) 其中 τ 是时间,ρ 是密度,cp 是恒压下质量的潜热。 λ/ρcp常被称为石墨的热扩散率或热导率,常用单位为cm/s。

热传导是通过导热载体的运动来实现的。 石墨的导热载流子包括电子、声子(晶格激波)、光子等。石墨的导热系数可以表示为各种导热载流子贡献的叠加:

(4) 其中vi、li和ci分别是导热载体i的运动速度、平均自由程和单位体积比热容。 石墨的各种导热载体相互作用、相互制约。 例如,不同频率的声子相互碰撞而引起散射,声子之间也会形成氢键、晶格缺陷和杂质之间的散射,从而影响其平均自由程。 因此,石墨的导热是一个非常复杂的物理过程。 从理论上预测各类石墨的导热系数值及其随温度的变化,虽然进行了多年的努力,但只取得了有限的成果。 简单地说,在室温和不太高的水温(大于)下,声子的热导率是压倒性的,电子和光子的热导率可以忽略不计。 在极低的温度下(大于10K),电子热传导仅占据一定量。 直到空气温度非常高(上图)时,光子热传导才会开始出现。 石墨的热导率随着其雾度比的降低而降低(参见维德曼-弗兰茨定理)。

结晶石墨

单晶硅

石墨单晶硅是纯天然鳞片石墨和高取向热解石墨。 这种石墨晶体缺陷较少,但规格较大。 通常可以认为是比较健全的石墨单晶硅。 人们对这种石墨的导热性进行了大量研究。 在压缩偏转下,经过上述处理后的热解石墨的堆积密度为2.25g/cm,接近单晶硅的理论密度2.266g/cm,其(002)衍射峰半宽角展度仅为0.4°(马赛克角),也非常接近零度的理论值。 这些石墨的热导率如表1所示。该值通常被认为代表单晶硅石墨的相应值。 沿两个主要方向的热导率:沿平面的热导率记为λa,沿与平面垂直的平面的热导率记为λc。

在常温下,λa大约比λc大200倍。 随着气温的下降,这个比例有所下降,但仍然很大。 因此,由微晶组成的多晶石墨的导热率是由微晶层的导热率λa控制的,而几乎不能考虑λc。 天然鳞片石墨室温下的λa在280~500W/(m·K)之间,比值λa/λc在3~5之间。可见其结晶程度远不如鳞片石墨。高取向热解石墨。

热解石墨具有高度规则的晶体结构,La以上,从高温到低温,其导热系数随温度呈钟形变化,见图1和图2。

室温下远高于石墨晶层导热系数的特征温度θλ:

λa∝exp(–θλ/bT)(5)

式中,b约等于2,θλ有时也称为德拜温度,但与表征潜热的德拜温度不同(见碳质材料和石墨材料的潜热)。当室温多时小于 θλ,则有

λa∝T(6)

由式(5)可知,在高温下,λa随着温度T的升高而增大; 由式(6)可知,在低温下,λa随着温度的升高而增大。 在高温和低温之间,式(5)和式(6)都起作用,当这两种效应相互竞争时,λa达到最大值。 这就是形成钟罩曲线的原因。

在不太低的温度下,石墨晶体的导热载体是声子,式(3)可简化为:

λ=γρcVvl (7) 其中ρ是密度,cV是质量定体积潜热,v是声子传播速度,l是两个声子散射或碰撞之间的平均自由程,γ是比例系数。 在高温下,l的尺寸受到氢键散射的阻碍,并且l的尺寸与微晶的规格相当。 因此,λa~T曲线的峰值的高度和位置由石墨晶体的规格(微晶a的半径La)控制。 热解石墨的固溶温度越高,建立的晶体越多,La急剧减少,因此导热系数λa增大,峰值减小,峰值位置连接到高温侧(图3)。

对于两种石墨晶体,晶界a方向半径分别为La.1和La.2,导热系数峰位置分别为Tm.1和Tm.2。 这些参数之间的关系如下:

(8) 提供了一种根据热导率数据计算 La 的方法。 这些方法得到的La值几乎与X射线衍射法得到的值相当。

导热椭球体

晶体两个主方向的导热系数为λa和λc,沿任意方向Ф的导热系数为λФ,其中Ф为该方向与晶轴c之间的夹角。

λФ=λasinФ+λccosФ(9)

方程(9) pT 由一个以长径为旋转轴的旋转椭球体图形表示(图 4)。 椭球的长半径为 λc,短半径为 λa。 这个椭球体称为石墨的导热椭球体。 任意方向的导热系数λФ可以用该方向上椭球体的直径γФ来表示:

λФ=1/γФ(10)

该方向的直径越短,导热系数越大。

多晶石墨

多晶石墨的导热系数受多种因素影响:级配和粘结剂种类及配比、成型条件、热处理湿度等制造工艺有明显影响; 微晶的大小和分布、孔隙的数量和形状以及其他结构诱因,其影响尤为突出。 尽管同一石墨的不同批次之间存在相当大的差异,但不同石墨品种之间的导热率差异很大。 尽管影响因素很多,但控制导热系数的基本规律没有改变。 在声子热传导为主的温度区域,仍受式(7)所示规律控制。

多晶石墨由许多微晶组成。 多晶石墨的热导通过微晶层传递(a方向热传导)。 由于微晶的 λa 比 λc 大两个数量级左右,因此可以忽略 c 方向的热传导,如图 6 所示。在中等湿度下,微晶的 λa 主要受两个散射过程控制: 1热导率λB受氢键散射控制,微晶尺寸La越大,λB越大。 2、热导率λu受声子碰撞引起的散射控制,水温越高,这些散射越强,且随温度升高而减小。 λa、λB、λu之间的关系如下:

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1/λa=1/λB+1/λu

(15) 任意方向(x方向)的热导率λx取决于多晶石墨中微晶的取向和分布。 由于传热路径深而粗糙,微晶之间还可能存在非晶态、不健全的结晶碳物质和过渡碳物质。 λx与λa的关系中应包含一个校准系数αx,即:

(16) 根据理论分析,λu随温度的变化数据列于表3。然后将不同水温下的导热系数实测数据与理论公式(16)进行比较,得到λB和αx。 图2显示了挤压芯石墨PGA和压塑ZTA石墨的测量热导率和估计热导率的比较。 7.

表3 λu随气温的变化

室温/K

100

150

200

250

300

350

400

500

600

700

800

900

1000

λu/W·

(厘米·K)

第391章

204

53.6

26.7

20.1

14.9

12.1

9.29

8.00

6.87

6.20

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5.61

5.15

几种模压石墨的导热系数随空气温度的变化分别如图8和图9所示,λ-T曲线均为钟形。

导热理论

石墨晶体的导热理论非常繁琐,在计算机的帮助下已经取得了很多进展,但仍有很多问题有待进一步阐明。 以无缺陷理想石墨晶体的层热导率λa为例,晶格振动波被量子化,振动波称为声子,振动波是矢量,可以称为波矢量。 波矢量的能量和状态是晶体倒晶格的函数。 整个晶体的倒晶格可以用一个很小的区域来表示; 这个地区被称为 区。 只要清楚地认识到该区域声子的能量和状态,整个晶体中声子的情况就清楚了。

石墨晶体的B​​区是六角四面体(图5)。 如果只讨论石墨晶体层处的热导率,作为简化模型,只讨论图5中正六边形表面上声子的运动就足够了。这些二维情况大大简化了问题,使问题变得更容易去处理。 用n表示波数,在[nx,ny]平面上,圆形截面的面积可以用直径为nm的圆曲面来表示,由图5可得:

(11)

式(11)中,a为石墨的晶格参数,a=0.246×10cm。 nm是声子振动的最大波数,即单位宽度内声子的振动次数。 声子速度v和波数n的乘积就是声子的频率,声子的能量与频率成反比。 声子的最大角频率wm=2πvnm,2πnm称为最大角波数,常记为qm。 qm=1..

对声子的运动进行分类,每个类别称为一个声子分支,每个分支都有一个代号。 贝里尤安区正六方能级上存在多个声子支,主要有3个:横支,最大频率为 ,速度vL=2.36×10cm/s; 2、TA,纵向分支,最大频率为,速率为vT=1./s; 3、低TA支路,又称弯曲振动支路,最大频率为vb=0.53×10cm/s,速率为vb=0.53×10cm/s。 此外,还有折叠LA分支、横向光分支TO等,这种非主分支的频率高于4THz,它与其他分支相互作用强烈,因此大于4THz,即角频率大于wc=2.5× 10S的那些不起传热作用的支路可以忽略。 wc 称为声子角频率的下限。 低TA分支的速度比LA和TA低很多,所以可以忽略。 在这些大大简化的情况下,仅考虑两个分支LA和TA,并且仅考虑热传导,而不考虑潜热。 这就是所谓的二维声子气体模型。 由此可以定义德拜速率 vD:

(12) 由上列数据可得:德拜速度vD=1.86×10cm/s,声子最大角频率wm==2。

当热传导载流子被声子垄断时,即在室温且水温不太高的情况下,理想石墨晶体的层热导率为λ,则

(13) 式中,ρ为理想石墨晶体的密度2.266g/cm,γ为格林艾森系数(见石墨潜热),宜γ=2,从而得到

=5.73/T×10(14)

该公式简单明了,可以为式(6)的T关系提供理论基础。 由该公式计算得到的热导率与高取向热解石墨实测值的比较如表2所示。

测量值与理论值大致相符,从非常简化的理论模型得到的结果实际上与现实吻合得这么好。 两者的平均比值为0.94,这说明虽然是这样的石墨晶体,但与理想晶体相比,其建立程度仍然不足。

低导热石墨

密度为1.84g/cm3的挤压航空航天石墨ATJ-S、密度为2.0g/cm3的各向同性细粒莱州石墨和HDFG(用短纤维改进的HDG)均为低导热率多晶石墨。 该石墨的热导率与温度的关系如图 10 所示。

导热系数和密度

早在19世纪中叶,著名化学家、电磁波理论的创始人JC·麦克斯韦(JC )。 他在其名著《电磁波理论》(1873)中强调,对于富含孔隙的材料,如果孔隙以直径相等的小球状均匀地分散在材料中,则该材料的电导率(浊度或热导率)电导率),从理论上讲,可以通过以下公式估算:

(17)

式中,P为孔隙率,λ0为无孔隙(P=0)时的导热系数。 这个公式具有历史意义。 对于石墨来说,孔隙不是球形的,更不用说非等直径的了,这个公式不适用。 但它表明孔隙率越大(即密度越小),导热系数就越小。 这个推论是正确的。 经过不同浸渍处理的挤压核石墨,在室温下,其导热系数λ∥随孔隙率变化,按如下关系式变化:

λ∥=λ0exp(–bP)(18)

式中,λ0=/(m·K)为无孔极限导热系数,常数b=7.00。

对于同一类型的石墨,导热系数随着其密度的减小而增大。 图11显示了HDFG各向同性石墨的λ与密度之间的关系。

热处理温度 多晶石墨多由烧结坯料经低温热处理制成。 热处理温度越高,微晶的发育越成熟,La降低,热导率也急剧降低。 将煅烧后的石油针状焦和中温煤焦油沥青挤压成烧结棒。 经过不同热处理(HTT)后,La值如表4所示。轴向热导率λ∥随温度的变化如图12所示。热导率的倒数1/λ称为泊松比。 在不同的热处理温度下,这些石墨的轴向挠度1/λ//和l/La之间的关系如图13所示。另一种由石油焦和中温煤焦油沥青制成的挤压石墨,图14显示了λ∥ 对 La 的依赖性。对于模制石墨,λ⊥ 和 HTT 之间的关系如图 15 所示。

热扩散率α也称为温度传导系数,α=λ/ρcp。 (见式(3))。 它表征材料在加热或冷却过程中各部分温度趋于一致的能力; 它是表征不稳定传质过程中温度变化率的特征参数。 材料的导热系数越高,材料内部的本体温度传播速度越大,材料内部的温差越小。 一种新型石墨,ρ=1.81g/cm3,各向同性细晶石墨EK-98,其α随温度的变化如图16所示。

散热系数ε是表征石墨材料热性能的综合参数,与导热系数密切相关。 它定义为:

ε=(λcpρ)(19)

在法定单位制中,ε的单位为WS·m·K,表征材料表面的散热或放热能力。 EK-98石墨的散热系数随温度的变化如图17所示。

导热系数各向异性石墨材料的各向异性表现为沿平行于对称轴方向的导热系数λ∥与沿垂直方向的导热系数λ⊥之差。 通常,对于挤压石墨λ∥>λ⊥,λ∥/λ⊥之比称为导热系数各向异性; 对于模压石墨,λ⊥>λ∥,λ⊥/λ∥之比称为导热系数各向异性; 即各向异性最小为1(各向同性)。 设沿着石墨对称轴oz的取向参数为Roz,平行和垂直方向的标定参数为γ∥和γ⊥(参见石墨的各向异性),则:

因为微晶的 λc/λa