碳素材料的发展

碳素材料的应用及发展趋势

摘要

炭素是以高纯度优质无烟煤，经过深加工改变煤的一些性质得出的，原子C，炭素制品按产品用途分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类等等。俗称炭砖或电炉块，主要用于冶金行业：有色金属和无色金属的冶炼以及电石、磷化工企业！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％）。

炭素新材料是指用于高技术领域的碳和石\墨材料，主要用于航空、航天、核能、风能、硬质材料制造、电子、医疗、建筑、环保等行业。因此21世纪被称为“碳世纪”。目前已经形成规模应用的炭素新材料主要有各种特种石墨、碳纤维、碳复合材料等。

关键词

金属；碳素；材料；加工

1.导电材料

用电弧炉或矿热电炉冶炼各种合金钢、铁合金或生产电石（碳化钙）、黄磷时，强大的电流通过炭电极（或连续自焙电极-即电极糊）或石墨化电极导入电炉的熔炼区产生电弧，使电能转化成热能，温度升高到2000℃左右，从而达到冶炼或反应的要求。金属镁、铝、钠一般用熔盐电解制取，这时电解槽的阳极导电材料都是采用石墨化电极或连续自焙电极（阳极糊、有时用预焙阳极）。熔盐电解的温度一般在1000℃以下。生产烧碱（氢氧化钠）和氯气的食盐溶液电解槽的阳极导电材料，一般都用石墨化阳极。生产金刚砂（碳化硅）使用的电阻炉的炉头导电材料，也使用石墨化电极。

除上述用途外，炭和石墨制品作为导电材料广泛用于电机制造工业作为滑环和电刷，以及用作干电池中的炭棒或产生弧光用的弧光炭棒，水银整流器中的阳极等。

2.耐火材料

由于炭素制品能耐高温和有较好的高温强度及耐腐蚀性，所以很多冶金炉内衬可用炭块砌筑，如高炉的炉底、炉缸和炉腹，铁合金炉和电石炉的内衬，铝电解槽的底部及侧部。许多贵重金属和稀有金属冶炼用的坩埚、熔化石英玻璃等所用的石墨坩埚，也都是用石墨化坯料加工制成的。

3.耐腐蚀的结构材料

经过有机树脂或无机树脂浸渍过的石墨材料，具有耐腐蚀性好、导热性好、渗透率低等特点，这种浸渍石墨又称为不透性石墨。它大量应用于制作各种热交换器、反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵等设备，广泛应用于石油炼制、石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维，造纸等工业部门，可节省大量的不锈钢等金属材料。

4.耐磨和润滑材料

炭素材料除具有化学稳定性高的特性外，还有较好的润滑性能。在高速、高温、高压的条件下，用润滑油来改善滑动部件的耐磨性往往是不可能的。石墨耐磨材料可以在-200℃到2000℃温度下的腐蚀性介质中并在很高的滑动速度下（可达100m/s）不用润滑油而工作。因此，许多输送腐蚀性介质的压缩机和泵广泛采用石墨材料制成的活塞环、密封圈和轴承。它们运转时无需加入润滑剂。

这种耐磨材料是用普通的炭或石墨材料经过有机树脂或液态金属材料浸渍而成。石墨乳剂也是许多金属加工（拔丝、拉管等）的良好润滑剂。

5.高温冶金及超纯材料生产用的结构材料

如生产单晶硅用的晶体生长坩埚、区域精炼容器、支架、夹具、感应加热器等，都是用高纯度石墨材料加工而成的。用于真空冶炼中的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管、棒、板、格栅等元件，也是用石墨材料加工制成的。

6.铸模、压模材料

炭素材料的热膨胀系数小，而且耐急冷急热性好，所以可以用作玻璃器皿的铸模和黑色金属及有色金属或稀有金属的铸模。用石墨铸模得到的铸件，尺寸精确，表面光洁，不加工即可直接使用或只要稍加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金（如碳化钨）等粉末冶金工艺，通常用石墨材料加工压模和烧结用的舟皿。

7.原子能工业及军事工业材料

石墨因为具有良好的中子减速性能，最早用于原子反应堆中作为减速材料。铀-石墨反应堆是目前较多的一种原子反应堆。原子反应堆用的石墨材料必须具有极高的纯度。为了降低石墨中的杂质含量，在石墨化过程中通入卤素净化气体。一些经过特殊处理的石墨（如在石墨表面渗入耐高温的材料）及再结晶石墨、热解石墨，具有在极高温度下较好的稳定性及较高的强度重量比。所以，它们可以用于制造固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇宙航行设备的零部件。

除此之外，由于碳素材料具有十分突出的生物相容性和适中的机械性能，国内外对新型医用材料的开发应用研究一直是风活跃。总体来看，医用碳素材料主要是作为假体植入到体内修复或替代被破坏的器官的功能。一方面，医用碳素材料是一种化学惰性材料，具有良好的生物相容性，在体内不会因被腐蚀或磨损，不会产生对集体有害的离子，低温热解同性碳还具有罕见的抗血凝性能，可直接应用于心血管系统；另一方面，与金属材料相比，医用碳素材料又具有良好的“生物力学相容性”，尤其是碳纤维问世以来，碳/碳复合材料，碳纤维增强树脂等多种高性能结构材料不断涌现，它们可容高强度低模量于一身，并具有良好的抗疲劳性能，因此医用碳素材料作为修复和替代受损骨组织的材料已较为广泛地应用于骨伤外科。

自上世纪60年代首次用低温热解同性碳制造出人工机械心瓣并临床应用成功以后，由于碳素材料具有十分突出的生物相容性和适中的机械性能，国内外对新型医用材料的开发应用研究一直十分活跃。总体上看，医用碳素材料主要是作为假体植入到体内修复或替代被破坏的器官的功能。一方面，医用碳素材料是一种化学惰性材料，具有良好的生物相容性，在体内不会因被腐蚀或磨损，不会产生对机体有害的离子，低温热解同性碳还具有罕见的抗血凝性能，可直接应用于心血管系统；另一方面，与金属材料相比，医用碳素材料又具有良好的“生物力学相容性”，尤其是碳纤维问世以来，碳/碳复合材料、碳纤维增强树脂等多种高性能结构材料不断涌现，它们可容高强度低模量于一身，并具有很好的抗疲劳性能，因此医用碳素材料作为修复或替代受损骨组织的材料已较为广泛地应用于骨伤外科。

参考文献

（1）宋正芳.特种碳素材料的发展和应用[J]. 电工技术杂志. 1987(05) （2）张鸿斌.碳纳米管──一类新奇纳米碳素材料[J]. 厦门科技. 2000(05)（3）大谷杉郎.碳素材料的最新动向[J]. 炭素技术. 1985(02)

（4）夏金童.碳素材料的进展[J]. 材料科学与工程. 1985(04)

（5）大谷杉郎.炭素材料展望[J]. 世界煤炭技术. 1994(12)

（6）陈建平,兰石,田犀.节能减排—论复合碳素材料[J]. 环境科学与管理.

2008(08)

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