1、第二講 炭材料的特性非氧化介質中為化學惰性，只與強酸、強氧化劑反應，耐腐蝕性好。1.1 氣化反應和氧化反應a.無定形炭350 ，石墨450與氧反應 C + O2 CO2 H=-94.03 Kcal/克分子 b.C + Hb.C + H2 2O CO + HO CO + H2 2 H=31.14 Kcal/ H=31.14 Kcal/克分子克分子 CO + HCO + H2 2O COO CO2 2 + H + H2 2 H=-9.65 Kcal/ H=-9.65 Kcal/克分子克分子 700 700 c.C + 2Hc.C + 2H2 2 CH CH4 4 H=-17.87 Kcal/ H=

2、-17.87 Kcal/克分子克分子 10001000d. C + 2Fd. C + 2F2 2 CF CF4 4 常溫反應常溫反應 自燃自燃 1.2 與液態酸、鹽的反應l1.3 固-固反應l形成碳化物的反應l過渡金屬與碳的反應分三類：過渡金屬與碳的反應分三類：l1 1）BB、BB（以（以Cu,ZnCu,Zn為代表，為代表，d d1010），不與碳反應；），不與碳反應；l2 2）BB族（族（ Fe,CoFe,Co，NiNi為代表，為代表，d d層層6-106-10電子），催化電子），催化熔解碳，形成固溶體；熔解碳，形成固溶體；金屬熔點沸點碳的溶解度/%Fe153527504.3Ni145527

3、312.2Co149528702.9Pt177238271001.453 3）B-BB-B族（族（Ti,Cr,MnTi,Cr,Mn為代表，為代表，d d層層2-52-5電子），與電子），與碳共價形成碳化物。碳共價形成碳化物。1.4 降低化學反應的途徑* 降低開口氣孔率，阻止氣體向炭表面的擴散；* 提高炭的晶體度，降低反應可能發生的活性點；* 驅除可起催化作用的異物；* 表面引入原子或基團降低炭的反應性（又叫負催化劑，磷、鹵素、硼等）；* 表面涂以玻璃層，形成氣體向炭擴散的阻擋層。二、二、 炭材料的熱性能炭材料的熱性能2.1抗熱震性（熱穩定性）材料在高溫下使用并且經受溫度劇變而不破壞的性能，又稱

4、耐急冷急熱性和熱穩定性。（1）溫度急變導致材料破壞的原因 熱傳導的滯后性滯后性，表面和內部產生溫度梯度（2）炭材料具有優良抗熱震性能的原因A、熱導率值大和線膨脹系數l值小；B、模量E值小，緩解熱應力的效果好；C、提高材料的抗拉或抗切強度有利于改善抗熱震性。一些無機材料的彈性模量一些無機材料的彈性模量（3 3）、抗熱震性指標與耐沖擊參數）、抗熱震性指標與耐沖擊參數2/1lEbdCPREPRlJ/ms式中，R抗熱震性指標 R 耐熱沖擊參數 P抗拉強度 l線膨脹系數 E模量 熱導率 C熱容 db體積密度l常溫下石墨的熱導率與金屬的對比（1）石墨的熱傳導特點 具有明顯各向異性，其值與材料的石墨化度及測

5、量溫度等密切相關，石墨熱導率是由其基本結構決定的固有特征。 影響因素：1）原料的基本性質；2）制造的工藝過程；3）熱處理溫度；4）表觀密度，孔隙分布等。 固體材料內導熱有兩種：自由電子流動和晶格原子熱振動 德拜理論（聲子熱傳導理論）：=ACL 其中熱導率 A幾何因子（對各向同性晶體A=1/3） C比熱容（單位體積的熱容） L聲子（晶格波）自由程平均長度 聲子的傳播速度（4）熱導率與石墨化度的關系熱導率隨石墨化度提高而增大，石墨化前僅為石墨化后熱導率的1/20到1/30（5）熱導率與宏觀組織的關系 隨體積密度的增大而增大，隨氣孔率增大而減小 1- /0=KP式中， 被測物質的熱導率，w/m.k

6、0真密度為2.26g/cm3的石墨的熱導率，w/m.k P被測材料的氣孔率，% K修正系數，一般K=2.3物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹為熱膨脹。 l稱為線膨脹系數。稱為線膨脹系數。tlll0tVVv0)1 (00tlllllt)1 (0tVVvt（1）炭材料的熱膨脹的特點 A、 l比金屬材料小得多； Al 23.6x10-6/K Cu 17x10-6/K 石墨 （1-2）x10-6/K石墨材料的l隨溫度升高的增量 lC C、炭材料的線膨脹系數具有各向異性、炭材料的線膨脹系數具有各向異性a a方向：方向：400400，變化很小，常溫

7、達到極，變化很小，常溫達到極 小，隨后增大，小，隨后增大，800 1x10800 1x10-6-6/K/Kc c方向方向: :為正值，（為正值，（25-3025-30）1010-6-6/K/Kl熱容是分子熱運動的能量隨溫度而變化的一個物理量，是物體溫度升高1K所需要增加的能量。不同溫度下物體的熱容不一定相同，所以在溫度T時物體的熱容為：l1mol物質的熱容稱為比熱容（J/mol.K） l室溫8.36J/molk, 2000K 25.08J/molK l 3500K, 31.27J/molKTTQCt3.1 導電性和電阻率（1）導電的特點A、電阻率具有明顯的各向異性；Grapheen CNTsC

8、、電阻溫度系數l不同炭材料的電阻率和電阻溫度系數不同，有的隨溫度升高而減小，有的則增大。l在一定溫度下的導電性是在此溫度下材料內自由電子熱激發和晶格點陣熱振動的綜合反映。炭材料屬于抗磁物質，磁化率為負值。炭材料屬于抗磁物質，磁化率為負值。（1）抗磁性磁化率的各向異性和平均抗磁）抗磁性磁化率的各向異性和平均抗磁性磁化率性磁化率單晶石墨的抗磁性磁化率單晶石墨的抗磁性磁化率 =-21.5x10=-21.5x10-6-6emu/gemu/g =-0.5x10=-0.5x10-6-6emu/gemu/g(2)(2)抗磁性磁化率與石墨化度的關系抗磁性磁化率與石墨化度的關系8001000 1200 1400

9、 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 30000-2-4-6-8-10Xm (x10-6emu/g)Temp (? )四、炭材料的力學性能四、炭材料的力學性能基本結構特征：1）多晶多層結構；2）宏觀組織特征是含有氣孔。因此，炭材料的力學性能受到氣孔率、孔徑分布、組織缺陷、晶粒大小、石墨化度等因素的影響。4.1 4.1 機械強度機械強度1）特點 a.各向異性； b.塊體材料低溫強度差，但隨溫度升高，機械強度提高。 室溫 20MPa, 2500 40MPa, 2800 失去強度按照原料分類： 粘膠基（纖維素基或人造絲基）； 聚丙烯腈基（PAN）； 瀝青基（各向同性

10、和各向異性）按照制備條件和方法分類： 炭纖維（800-1600 ）； 石墨纖維（2000-3000 ）； 氣相生長炭纖維； 活性炭纖維等按照力學性能分類 通用級（GP）； 高性能（HP）： 中強型（MT）； 高強型（HT）； 超高強型（UHT）； 中模型（IM）； 高模型（HM）； 超高模型（UHM）CFCF制備的工藝流程制備的工藝流程PAN-CFPAN-CF的性能的性能瀝青基CF的性能Designation Type Grade Diameter (m) Density (g/cm3) TS (GPa) YM (GPa) UE (%) T101F C 12.5 1.65 0.790 33 2

11、.4 T101S C 14.5 1.65 0.720 32 2.2 T201F G 12.5 1.57 0.690 33 2.1 Kureha Chemicals Brochure（日吳羽） T201S G 14.5 1.57 0.590 30 2.1 P-55S G 10 2.1 1.90 380 0.5 P-75S G 10 2.1 2.10 520 0.4 P-100 G 10 2.15 2.20 724 0.31 P-120 G 10 2.18 2.20 827 0.27 P-130 G 10 - 2.10 897 0.23 Amoco（美） P-140 G 10 - 2.10 966

12、 0.22 Graphite Single Crystal 2.26 21 1000 Diamond 3.52 1150 UE: ultimate elongation堿性纖維素堿性纖維素 NaOHCS2纖維素磺酸鈉鹽纖維素磺酸鈉鹽 纖維素磺酸鈉溶于堿液纖維素磺酸鈉溶于堿液 粘膠液粘膠液粘膠基粘膠基人造絲人造絲1000炭化炭化2800牽伸石墨化牽伸石墨化纖維素纖維素炭纖維炭纖維各種Thornel牌號粘膠CF的性能 Thornel牌號直徑（m）密度（g/cm3）抗 拉 強 度（GPa）楊 氏 模 量（GPa）Thornel-257.31.421.29175Thornel-406.91.561.7

13、-1.75280Thornel-506.51.672.10350Thornel-606.11.72.27420Thornel-70-2.27490Thornel-75-1.862.4-2.6525Thornel-1006.1-9.41.793.5703由人造絲制得的CF的橫截面積形狀大多不規則，一般呈樹葉狀，表面溝槽十分清晰；粘膠基炭纖維的堿金屬含量低（100ppm），而PAN-CF高達數千ppm，另外，前者灰分低、密度小、導熱性差，更適合于作耐燒蝕材料，因為鈉等堿金屬不僅是碳氧化的催化劑，而且在相當低的溫度下發生離子化并使燒蝕體周圍空間的電子濃度急增，從而使追蹤耐燒體的雷達截面積擴大并干擾微

14、波通訊。因此，至今美國用于導彈等空間耐燒系統的CF都是粘膠基CF。例如，分導式多彈頭MK-12A洲際導彈的C/C鼻錐使用的CF就是Thornal-50。 3) 3)理論強度與實際值理論強度與實際值 炭材料的理論強度為炭材料的理論強度為210GPa,210GPa,實際強度目前達實際強度目前達到到7 7GPaGPa，達到達到3%,3%,相距甚遠相距甚遠, ,原因在于各類缺陷原因在于各類缺陷. .4)4)強度與缺陷強度與缺陷l炭材料屬脆性材料,無塑性流變特征,易產生應力集中導致斷裂.l強度隨裂紋的增大而減小,符合Griffith公式.5)強度與微晶大小l強度與微晶尺寸的平方根成反比,即隨微晶增大,強

15、度降低.l提高提高CFCF強度的主要措施強度的主要措施: :細晶化和減少缺陷細晶化和減少缺陷4.2 4.2 彈性模量彈性模量是反映材料所受的應力與其產生的應變的關系，是評價材料的重要參數。 =E 應力，應變，E彈性模量特點：1）隨溫度升高，炭材料的彈性模量提高；2）各向異性（C是A方向的1/30左右）；3）晶須E接近理想石墨，熱解石墨和CF在500，20-900GPa之間,一般塊狀炭材料在5-20GPa之間。模量與擇優取向：模量與擇優取向：v炭材料的模量與石墨微晶的擇優取向密切相關，所謂擇優取向是指石墨微晶在空間的軸向分布狀態，其大小可用微晶層面法線與纖維軸的夾角來表示。v高模CF的制備需要微晶取向最佳化。4.3 斷裂伸長斷裂伸長在模量一定的條件下，炭材料的斷裂伸長將隨拉伸強度的提高而得到改善。伸長的改善利于深加工操作，改善材料的韌性。0001LLLLL兩種兩種MWCNTs的的碳片層排列碳片層排列4.3 摩擦性能 炭材料在受到摩擦力作用時表現出： 1）石墨晶體容易沿晶體層面剝離； 2）石墨對各種材料表面的附著性良好。形成一層極薄的石墨晶體膜，它既耐磨又具自潤滑性，摩擦系數小，可作為摩擦滑動材料，制作軸承和齒輪，實現無油潤滑；摩擦系數在0.3左右，不需要潤滑油，能耐加壓下的滑動接觸；