材質介紹

在不同低溫下與氧氣反應生成氫氣或一氧化碳； 鹵素中，只有氟能與簡單碳直接反應； 在加熱下，石墨粉更容易被酸氧化； 在低溫下，它可以與許多金屬反應形成金屬基體，可以在低溫下制造鋼金屬。

材料特性

石墨粉是一種物理反應非常敏感的物質。 它的電阻率在不同的環境下會發生變化，即它的電阻值會發生變化，但有一點是不會改變的。 石墨粉非常好。 金屬導電物質之一，只要將石墨粉不間斷地放在絕緣物體上，就會像細線一樣通電，而內阻值沒有準確的數字，由于石墨粉的厚度不一樣，不同材質和環境下使用的石墨粉內阻值也會不同。 由于其特殊的結構，石墨具有以下特殊性能：

1）耐低溫型：石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃。 雖然是超低溫電弧燃燒，但重量損失很小，熱膨脹系數也很小。 石墨的硬度隨著溫度的升高而增加，在2000℃時，石墨的硬度增加一倍。

2）導電、導熱性：石墨的導電率比普通非金屬礦物高100倍。 導熱系數超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。 熱導率隨著空氣溫度的下降而降低，即使在極高的濕度下，石墨也可以起到熱絕緣體的作用。

3）潤滑性：石墨的潤滑性能取決于石墨片的尺寸。 薄片越大，摩擦系數越小，潤滑性能越好。

4）物理穩定性：石墨在常溫下具有良好的物理穩定性，耐酸、堿和有機溶劑。

5）可塑性：石墨具有良好的硬度，可以連接成很薄的片材。

6）耐光沖擊性：石墨在室溫下使用時可以承受濕度的劇烈變化而不損壞。 當溫度突變時，石墨的體積不會發生太大變化，不會形成裂紋。

應用領域

1、作為耐火材料：石墨及其制品具有耐低溫、高硬度的性能。 它們主要用于制造冶金工業中的石墨坩堝。

2、作為導電材料：在電氣工業中用于制造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流裝置的負極、石墨墊片、電話零件、電視顯像管的涂料等。

3、作為耐磨潤滑材料：石墨在機械工業中常被用作潤滑劑。 在高速、高溫、高壓條件下往往不能使用潤滑油，而石墨耐磨材料可以在（1）200~2000℃高滑動速率下無潤滑油工作。 許多輸送腐蝕性介質的設備廣泛采用石墨材料制作活塞皮碗、密封圈和軸承，運行時不需要添加潤滑油。 石墨乳也是許多金屬加工（拉絲、拉管）的良好潤滑劑。

分類

高純度亞微米石墨顆粒的應用范圍非常廣泛：電子信息用顯像管、顯示器制造行業用黑色導電油墨、液晶顯示器組成的器件、傳感器和顏色解析器上使用的感光黃色漆膜、平板顯示器等。彩色液晶等離子三基色用于改善發射效果和色彩對比度，超細鎢、鉬拉絲等油墨，中間潤滑油和潤滑脂制造，高性能蓄電池泡沫鐵鎳制造高純亞微米石墨顆粒廣泛應用于感光膠片等諸多行業。

高純石墨超細粉包括膠體石墨粉，主要用于毛筆、粉末冶金、潤滑油、潤滑脂、干電池、導電油墨、潤滑油墨、國防科委、科研機構等。 我國生產的膠體石墨粉是我國石墨行業發展的排頭兵，部分技術已達到國際領先水平。

花崗巖（密封防粘脂）性能及用途：耐低溫3000攝氏度，耐高壓40KG，用于船舶、飛機、機車、汽車、工程機械及各種小型石油、化工、電機等金屬粘接表面，法蘭連接處的密封和防粘。

特種石墨油墨：水性石墨油墨、導電石墨油墨、溶解石墨油墨、內外石墨油墨、拉絲石墨油墨、潤滑石墨油墨、玻璃纖維油墨、電視石墨油墨及特種油墨、各種非金屬材料、納米級材料制作流程、設計方案。 經營各類防腐設備，承接各類防腐設備加工。 品種多樣、尺寸齊全，產品執行《中華人民共和國國家標準》。 設計制造各類精細化工設備、各類球磨機及特種機械的配方工藝。

使用

行業

石墨具有良好的物理穩定性。 經過特殊加工的石墨具有耐腐蝕、導熱性好、滲透性低等特點，廣泛應用于制作熱交換器、反應罐、冷凝器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器等裝置、泵設備。 廣泛應用于石油化工、濕法冶金、酸堿生產、合成纖維、造紙等工業部門，可節省大量金屬材料。

鑄造、鑄造、造型及低溫冶金材料：由于石墨熱膨脹系數小，但能快速冷卻和快速熱變化，可用作玻璃器皿的鑄造模具。 使用石墨后，白色金屬可獲得規格準確、表面潔白、成品率高的毛坯。 無需加工或稍加加工即可使用，節省大量金屬。 在硬質合金和其他粉末冶金工藝的生產中，一般采用石墨材料來制造瓷舟，進行成型和燒制。 單晶晶體生長坩堝、區域精煉容器、支架夾具、感應加熱器等均采用高純石墨制成。 據悉，石墨還可用作真空煉鐵、低溫內阻爐管、棒、板、柵等器件的石墨絕熱板和底座。

石墨可以防止窯爐酸敗。 有關單位試驗表明，在水底添加一定量的石墨粉（每斤水約4～5克），可以避免窯爐表面結垢。 據悉，金屬水塔、屋頂、橋梁、管道上的石墨涂層可以防止腐蝕和生銹。

石墨可用作筆芯、顏料和拋光劑。 石墨經特殊加工后可制成各種特種材料用于相關工業部門。

據悉，石墨還是輕工玻璃、印染的拋光劑、防銹劑，是制造鋼筆、墨水、黑漆、墨汁、人造金剛石、鉆石等不可缺少的原料。 是一種非常好的節能環保材料，日本已將其用作汽車電池。 隨著現代科學技術和工業的發展，石墨的應用領域仍在不斷擴大，已成為高新技術領域新型復合材料的重要原材料，在國民經濟中發揮著重要作用。

國防

用于原子能工業和國防工業：石墨是原子反應堆良好的中子慢化劑，鈾石墨反應堆在原子反應堆中得到廣泛應用。 作為動力用原子能反應堆中的減速材料，應具有高熔點、穩定性和耐腐蝕性。 石墨完全可以滿足上述要求。 原子反應堆使用的石墨含量很高，雜質濃度不能超過幾十PPM。 尤其是其中硼濃度應大于0.5PPM。 在國防工業中，石墨還用于制造固體燃料格柵噴嘴、潛艇鼻錐、航空航天設備零件、隔熱材料和防射線材料等。

傳導原理

一般來說，橡膠是絕緣的。 如果需要導電，就需要添加導電物質。 石墨粉具有良好的導電性、潤滑性和脫模性。 石墨加工成石墨粉，具有優良的潤滑性和導電性。 石墨粉含量越高，導電性能越好。 很多特種橡膠制品廠都需要導電橡膠，那么橡膠中添加石墨粉可以導電嗎？ 答案是肯定的，但是還有一個問題，橡膠中石墨粉的比例是多少？ 有的企業使用比例不超過30%。 此類型用于耐磨橡膠制品，如車輛輪胎等，也有特種橡膠廠使用比例為100%。 只有這樣才能導電。 原理是導體不能中斷，就像電纜一樣，如果中間斷了，就不會通電。 導電橡膠上的導電石墨盒就是導體。 如果石墨粉被絕緣橡膠切斷，就不會導電。 所以石墨粉的導電效果比柱子差，看來療效也不好。

熱傳導

石墨導熱（）

當石墨體呈現室溫梯度時，熱量從低溫流向高溫。 表征石墨導熱性能的參數是導熱系數。 導熱系數I是單位時間、單位面積通過的熱量q（熱流密度）與空氣溫度梯度的比值系數。

q=–λ

(1)中的負號表示熱流方向與空氣溫度梯度方向相反。 方程（1）通常被稱為熱傳導傅里葉定理。 設垂直于x軸方向的截面積為ΔS，則材料沿x軸方向的水溫梯度為dT/dx，在Δτ時間內，沿正方向流經ΔS截面的熱量x軸的ΔQ為ΔQ，在穩定傳質狀態下，式(1)的形式為：

(2) 導熱系數的法定單位是W·m·K。 對于不穩定的傳質過程，即物體各處水的溫度隨時間而變化。 與外界沒有熱交換且具有室溫梯度的物體，隨著時間的推移，溫度梯度會趨于零，即熱端溫度不斷升高，冷端溫度升高繼續降低，最終達到穩定的平衡溫度。 在這些不穩定的傳質過程中，物體內單位面積的濕度隨時間的變化率為：

(3) 其中 τ 是時間，ρ 是密度，cp 是恒壓下質量的潛熱。 λ/ρcp常被稱為石墨的熱擴散率或熱導率，常用單位為cm/s。

熱傳導是通過導熱載體的運動來實現的。 石墨的導熱載流子包括電子、聲子（晶格激波）、光子等。石墨的導熱系數可以表示為各種導熱載流子貢獻的疊加：

(4) 其中vi、li和ci分別是導熱載體i的運動速度、平均自由程和單位體積比熱容。 石墨的各種導熱載體相互作用、相互制約。 例如，不同頻率的聲子相互碰撞而引起散射，聲子之間也會形成氫鍵、晶格缺陷和雜質之間的散射，從而影響其平均自由程。 因此，石墨的導熱是一個非常復雜的物理過程。 從理論上預測各類石墨的導熱系數值及其隨溫度的變化，雖然進行了多年的努力，但只取得了有限的成果。 簡單地說，在室溫和不太高的水溫（大于）下，聲子的熱導率是壓倒性的，電子和光子的熱導率可以忽略不計。 在極低的溫度下（大于10K），電子熱傳導僅占據一定量。 直到空氣溫度非常高（上圖）時，光子熱傳導才會開始出現。 石墨的熱導率隨著其霧度比的降低而降低（參見維德曼-弗蘭茨定理）。

結晶石墨

單晶硅

石墨單晶硅是純天然鱗片石墨和高取向熱解石墨。 這種石墨晶體缺陷較少，但規格較大。 通常可以認為是比較健全的石墨單晶硅。 人們對這種石墨的導熱性進行了大量研究。 在壓縮偏轉下，經過上述處理后的熱解石墨的堆積密度為2.25g/cm，接近單晶硅的理論密度2.266g/cm，其（002）衍射峰半寬角展度僅為0.4°（馬賽克角），也非常接近零度的理論值。 這些石墨的熱導率如表1所示。該值通常被認為代表單晶硅石墨的相應值。 沿兩個主要方向的熱導率：沿平面的熱導率記為λa，沿與平面垂直的平面的熱導率記為λc。

在常溫下，λa大約比λc大200倍。 隨著氣溫的下降，這個比例有所下降，但仍然很大。 因此，由微晶組成的多晶石墨的導熱率是由微晶層的導熱率λa控制的，而幾乎不能考慮λc。 天然鱗片石墨室溫下的λa在280～500W/(m·K)之間，比值λa/λc在3～5之間。可見其結晶程度遠不如鱗片石墨。高取向熱解石墨。

熱解石墨具有高度規則的晶體結構，La以上，從高溫到低溫，其導熱系數隨溫度呈鐘形變化，見圖1和圖2。

室溫下遠高于石墨晶層導熱系數的特征溫度θλ：

λa∝exp(–θλ/bT)(5)

式中，b約等于2，θλ有時也稱為德拜溫度，但與表征潛熱的德拜溫度不同（見碳質材料和石墨材料的潛熱）。當室溫多時小于 θλ，則有

λa∝T(6)

由式（5）可知，在高溫下，λa隨著溫度T的升高而增大； 由式（6）可知，在低溫下，λa隨著溫度的升高而增大。 在高溫和低溫之間，式（5）和式（6）都起作用，當這兩種效應相互競爭時，λa達到最大值。 這就是形成鐘罩曲線的原因。

在不太低的溫度下，石墨晶體的導熱載體是聲子，式(3)可簡化為：

λ=γρcVvl (7) 其中ρ是密度，cV是質量定體積潛熱，v是聲子傳播速度，l是兩個聲子散射或碰撞之間的平均自由程，γ是比例系數。 在高溫下，l的尺寸受到氫鍵散射的阻礙，并且l的尺寸與微晶的規格相當。 因此，λa~T曲線的峰值的高度和位置由石墨晶體的規格(微晶a的半徑La)控制。 熱解石墨的固溶溫度越高，建立的晶體越多，La急劇減少，因此導熱系數λa增大，峰值減小，峰值位置連接到高溫側（圖3）。

對于兩種石墨晶體，晶界a方向半徑分別為La.1和La.2，導熱系數峰位置分別為Tm.1和Tm.2。 這些參數之間的關系如下：

(8) 提供了一種根據熱導率數據計算 La 的方法。 這些方法得到的La值幾乎與X射線衍射法得到的值相當。

導熱橢球體

晶體兩個主方向的導熱系數為λa和λc，沿任意方向Ф的導熱系數為λФ，其中Ф為該方向與晶軸c之間的夾角。

λФ=λasinФ+λccosФ(9)

方程(9) pT 由一個以長徑為旋轉軸的旋轉橢球體圖形表示（圖 4）。 橢球的長半徑為 λc，短半徑為 λa。 這個橢球體稱為石墨的導熱橢球體。 任意方向的導熱系數λФ可以用該方向上橢球體的直徑γФ來表示：

λФ=1/γФ(10)

該方向的直徑越短，導熱系數越大。

多晶石墨

多晶石墨的導熱系數受多種因素影響：級配和粘結劑種類及配比、成型條件、熱處理濕度等制造工藝有明顯影響； 微晶的大小和分布、孔隙的數量和形狀以及其他結構誘因，其影響尤為突出。 盡管同一石墨的不同批次之間存在相當大的差異，但不同石墨品種之間的導熱率差異很大。 盡管影響因素很多，但控制導熱系數的基本規律沒有改變。 在聲子熱傳導為主的溫度區域，仍受式（7）所示規律控制。

多晶石墨由許多微晶組成。 多晶石墨的熱導通過微晶層傳遞（a方向熱傳導）。 由于微晶的 λa 比 λc 大兩個數量級左右，因此可以忽略 c 方向的熱傳導，如圖 6 所示。在中等濕度下，微晶的 λa 主要受兩個散射過程控制： 1熱導率λB受氫鍵散射控制，微晶尺寸La越大，λB越大。 2、熱導率λu受聲子碰撞引起的散射控制，水溫越高，這些散射越強，且隨溫度升高而減小。 λa、λB、λu之間的關系如下：

1/λa=1/λB+1/λu

(15) 任意方向(x方向)的熱導率λx取決于多晶石墨中微晶的取向和分布。 由于傳熱路徑深而粗糙，微晶之間還可能存在非晶態、不健全的結晶碳物質和過渡碳物質。 λx與λa的關系中應包含一個校準系數αx，即：

(16) 根據理論分析，λu隨溫度的變化數據列于表3。然后將不同水溫下的導熱系數實測數據與理論公式(16)進行比較，得到λB和αx。 圖2顯示了擠壓芯石墨PGA和壓塑ZTA石墨的測量熱導率和估計熱導率的比較。 7.

表3 λu隨氣溫的變化

室溫/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

5.61

5.15

幾種模壓石墨的導熱系數隨空氣溫度的變化分別如圖8和圖9所示，λ-T曲線均為鐘形。

導熱理論

石墨晶體的導熱理論非常繁瑣，在計算機的幫助下已經取得了很多進展，但仍有很多問題有待進一步闡明。 以無缺陷理想石墨晶體的層熱導率λa為例，晶格振動波被量子化，振動波稱為聲子，振動波是矢量，可以稱為波矢量。 波矢量的能量和狀態是晶體倒晶格的函數。 整個晶體的倒晶格可以用一個很小的區域來表示； 這個地區被稱為 區。 只要清楚地認識到該區域聲子的能量和狀態，整個晶體中聲子的情況就清楚了。

石墨晶體的B??區是六角四面體（圖5）。 如果只討論石墨晶體層處的熱導率，作為簡化模型，只討論圖5中正六邊形表面上聲子的運動就足夠了。這些二維情況大大簡化了問題，使問題變得更容易去處理。 用n表示波數，在[nx,ny]平面上，圓形截面的面積可以用直徑為nm的圓曲面來表示，由圖5可得：

(11)

式(11)中，a為石墨的晶格參數，a=0.246×10cm。 nm是聲子振動的最大波數，即單位寬度內聲子的振動次數。 聲子速度v和波數n的乘積就是聲子的頻率，聲子的能量與頻率成反比。 聲子的最大角頻率wm=2πvnm，2πnm稱為最大角波數，常記為qm。 qm=1..

對聲子的運動進行分類，每個類別稱為一個聲子分支，每個分支都有一個代號。 貝里尤安區正六方能級上存在多個聲子支，主要有3個：橫支，最大頻率為 ，速度vL=2.36×10cm/s； 2、TA，縱向分支，最大頻率為，速率為vT=1./s； 3、低TA支路，又稱彎曲振動支路，最大頻率為vb=0.53×10cm/s，速率為vb=0.53×10cm/s。 此外，還有折疊LA分支、橫向光分支TO等，這種非主分支的頻率高于4THz，它與其他分支相互作用強烈，因此大于4THz，即角頻率大于wc=2.5× 10S的那些不起傳熱作用的支路可以忽略。 wc 稱為聲子角頻率的下限。 低TA分支的速度比LA和TA低很多，所以可以忽略。 在這些大大簡化的情況下，僅考慮兩個分支LA和TA，并且僅考慮熱傳導，而不考慮潛熱。 這就是所謂的二維聲子氣體模型。 由此可以定義德拜速率 vD：

(12) 由上列數據可得：德拜速度vD=1.86×10cm/s，聲子最大角頻率wm==2。

當熱傳導載流子被聲子壟斷時，即在室溫且水溫不太高的情況下，理想石墨晶體的層熱導率為λ，則

(13) 式中，ρ為理想石墨晶體的密度2.266g/cm，γ為格林艾森系數（見石墨潛熱），宜γ=2，從而得到

=5.73/T×10(14)

該公式簡單明了，可以為式（6）的T關系提供理論基礎。 由該公式計算得到的熱導率與高取向熱解石墨實測值的比較如表2所示。

測量值與理論值大致相符，從非常簡化的理論模型得到的結果實際上與現實吻合得這么好。 兩者的平均比值為0.94，這說明雖然是這樣的石墨晶體，但與理想晶體相比，其建立程度仍然不足。

低導熱石墨

密度為1.84g/cm3的擠壓航空航天石墨ATJ-S、密度為2.0g/cm3的各向同性細粒萊州石墨和HDFG（用短纖維改進的HDG）均為低導熱率多晶石墨。 該石墨的熱導率與溫度的關系如圖 10 所示。

導熱系數和密度

早在19世紀中葉，著名化學家、電磁波理論的創始人JC·麥克斯韋（JC ）。 他在其名著《電磁波理論》（1873）中強調，對于富含孔隙的材料，如果孔隙以直徑相等的小球狀均勻地分散在材料中，則該材料的電導率（濁度或熱導率）電導率），從理論上講，可以通過以下公式估算：

(17)

式中，P為孔隙率，λ0為無孔隙（P=0）時的導熱系數。 這個公式具有歷史意義。 對于石墨來說，孔隙不是球形的，更不用說非等直徑的了，這個公式不適用。 但它表明孔隙率越大（即密度越小），導熱系數就越小。 這個推論是正確的。 經過不同浸漬處理的擠壓核石墨，在室溫下，其導熱系數λ∥隨孔隙率變化，按如下關系式變化：

λ∥=λ0exp(–bP)(18)

式中，λ0=/(m·K)為無孔極限導熱系數，常數b=7.00。

對于同一類型的石墨，導熱系數隨著其密度的減小而增大。 圖11顯示了HDFG各向同性石墨的λ與密度之間的關系。

熱處理溫度 多晶石墨多由燒結坯料經低溫熱處理制成。 熱處理溫度越高，微晶的發育越成熟，La降低，熱導率也急劇降低。 將煅燒后的石油針狀焦和中溫煤焦油瀝青擠壓成燒結棒。 經過不同熱處理（HTT）后，La值如表4所示。軸向熱導率λ∥隨溫度的變化如圖12所示。熱導率的倒數1/λ稱為泊松比。 在不同的熱處理溫度下，這些石墨的軸向撓度1/λ//和l/La之間的關系如圖13所示。另一種由石油焦和中溫煤焦油瀝青制成的擠壓石墨，圖14顯示了λ∥ 對 La 的依賴性。對于模制石墨，λ⊥ 和 HTT 之間的關系如圖 15 所示。

熱擴散率α也稱為溫度傳導系數，α=λ/ρcp。 （見式（3））。 它表征材料在加熱或冷卻過程中各部分溫度趨于一致的能力； 它是表征不穩定傳質過程中溫度變化率的特征參數。 材料的導熱系數越高，材料內部的本體溫度傳播速度越大，材料內部的溫差越小。 一種新型石墨，ρ=1.81g/cm3，各向同性細晶石墨EK-98，其α隨溫度的變化如圖16所示。

散熱系數ε是表征石墨材料熱性能的綜合參數，與導熱系數密切相關。 它定義為：

ε=(λcpρ)(19)

在法定單位制中，ε的單位為WS·m·K，表征材料表面的散熱或放熱能力。 EK-98石墨的散熱系數隨溫度的變化如圖17所示。

導熱系數各向異性石墨材料的各向異性表現為沿平行于對稱軸方向的導熱系數λ∥與沿垂直方向的導熱系數λ⊥之差。 通常，對于擠壓石墨λ∥>λ⊥，λ∥/λ⊥之比稱為導熱系數各向異性； 對于模壓石墨，λ⊥>λ∥，λ⊥/λ∥之比稱為導熱系數各向異性； 即各向異性最小為1（各向同性）。 設沿著石墨對稱軸oz的取向參數為Roz，平行和垂直方向的標定參數為γ∥和γ⊥（參見石墨的各向異性），則：

因為微晶的 λc/λa