机械工程材料:碳和石墨材料

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    碳元素有3种异构体﹕一种是无定形碳﹐如木炭﹑焦炭﹑炭黑等﹔另两种是结晶形碳﹐即石墨和金刚石。无定形碳经高温处理可转化为石墨。石墨在催化剂作用和高压﹑高温条件下又可转化为金刚石。这也是人造石墨和人造金刚石的生产方法。  
    碳元素的3种异构体﹐其原子的空间排列各不相同。石墨属六方晶系﹐各层面由六角形环构成﹐层面与层面平行﹐呈有序的重叠晶体结构﹔金刚石属立方晶系的四面体结构﹔而无定形碳虽有微晶﹐但没有像石墨那样的有序排列。  
    分类  
    在机械工程中经常採用的碳和石墨﹐按组织结构可分为碳质材料和石墨材料。碳质材料是以石油焦﹑沥青焦为原料。煤沥青为黏结剂﹐经过混捏﹑压製成形﹑加热碳化而成。石墨按来源可分为天然石墨﹑人造石墨(包括特种石墨)两种。天然石墨还有鳞状和土状两种形态。人造石墨是由碳质材料再经2500℃以上高温石墨化处理而成。特种石墨是用一般石墨经热压加工处理﹐或採用其他有机原料和特殊工艺而获得。例如以热固性树脂经特殊热处理而成的玻璃碳﹔以碳氢化合物在高温下分解﹑沉积而成的热解石墨﹔以鳞状天然石墨经过酸处理﹐然后在高温下高度膨胀而成的柔性石墨﹐以及以合成纤维製成的碳纤维和石墨纤维等。  
    特点和用途  
    金刚石坚硬耐磨﹐常用作磨料﹑切削工具和勘探钻头。碳质材料和石墨材料因具有各种不同的优良性能﹐已在机械﹑电机﹑冶金﹑化工﹑电子﹑航空﹑航天﹑火箭﹑原子能等技术领域中广泛应用。一般人造石墨导电性好﹑耐热﹐可用於製造电弧炉和电火花加工模具的电极﹔因润滑耐磨﹐可用於製造密封圈﹑刮片﹑高温轴承。以热固性树脂浸渗而成的不透性石墨﹐因耐化学腐蚀性优良﹐导热性好﹐可用於化工设备中的换热器﹑管道和配件。柔性石墨富於弹性﹐可用於製造高温密封圈﹑填料﹑垫片。碳纤维﹑石墨纤维的强度很高﹐可用作以树脂﹑金属﹑陶瓷﹑碳等为基体的复合材料的增强材料。多孔石墨能耐高温﹐耐腐蚀气体和液体的侵蚀﹐可用作高温隔热材料和过滤材料。不含硼和稀土元素的高纯度核石墨因不吸收中子﹐能使中子减速而用於原子反应堆中。热解石墨由於导热异向比大﹐可用作火箭喷嘴的喉衬﹑核燃料涂层﹔因定向度高可用於大功率发射管的栅极。人造石墨还可用作铜﹑铝的压铸模和电子元件烧结模﹔碳砖﹑碳块可用作炼铁高炉﹑铁合金大电炉的炉衬﹔用玻璃碳可製作旋转密封的辅助面和激光技术中的电极等。至於天然石墨﹐因杂质含量大﹐一般只用於製造冶炼用坩堝﹑砂型涂料﹐或作为原料﹐经过精製﹐用於液体润滑剂和柔性石墨等。