炭素材料的制备原料资料
炭素材料-chapter7.
2018/10/19
11
力学性质
蠕变特性
弹性体的应力—应变关系在弹性极限范围内呈线性关
系，而且对交变应力是可逆的。
炭材料与弹性体不同，若外力作用时间很长，即使应力 值在弹性极限范围以内，也会发生塑性变形并产生残余变
形，即蠕变。炭(石墨)材料的蠕变具有下列特点：
– 蠕变的各向异性与时间效应。 – 蠕变的温度效应与应力效应。
2018/10/19 15
炭材料的电磁性质
炭材料的电磁性质
导电性与电阻率
各向异性 与石墨化度的关系 与温度的关系 2制约因素
磁性
都属于抗磁质，磁化率为负
2018/10/19
16
炭材料的化学性质
炭材料的化学性质
碳是化学稳定性极好的物质，在常温和普通环境下使 用，几乎呈化学惰性。但是在某些特定条件下，也会和其它 物质发生反应，主要反应有：
12
2018/10/19
力学性质
摩擦特性 石墨材料在受到摩擦力作用时表现出两个特性： 1)石墨晶体容易沿晶体层面剥离； 2)石墨对各种材料表面的附着性良好。 因此，石墨材料应用在摩擦面上时会形成一层极薄的石墨 晶体膜，它既耐磨又具有自润滑性，摩擦系数小。 另一方面，石墨的导热性好，摩擦面上产生的热能能迅速传 出，加以石墨的强度随温度上升而提高，所以滑动速度对摩 损率和摩擦系数的影响很小。
2018/10/19 7
炭素材料的性质
气体渗透率
多数炭材料都有实际可测出的气孔，当材料的两侧面存在 一定的压差时气体可以透过炭材科。气体渗透率大小，不仅 直接关系炭材料的气密性，而且还对化学稳定性等产生明显 影响。
2018/10/19
8
力学性质
力学性质
碳素的原材料
碳素的原材料
碳素是一种非常重要的材料，它在现代工业中有着广泛的应用。
碳素的原材料
主要来自于煤炭、石油和天然气，这些都是地球上丰富的化石燃料资源。
在这些原材料的基础上，通过一系列的化学和物理过程，可以生产出各种碳素材料，如石墨、金刚石、碳纤维等。
煤炭是碳素的重要原材料之一。
煤炭是一种含碳量很高的矿石，其中还含有少
量的氢、氧、氮等元素。
通过高温热解或氧化还原反应，可以将煤炭中的有机物质分解成碳素和其他气体。
这些碳素可以用于生产石墨、活性炭等材料。
另外，石油和天然气也是碳素的重要原材料。
石油中的烃类化合物可以通过裂
化和重整等工艺，得到丰富的碳素资源。
而天然气中的甲烷等气体也可以通过催化剂的作用，转化成碳素材料。
这些碳素材料可以用于制备碳纤维、聚苯乙烯等高分子材料，具有重要的工业应用价值。
除了化石燃料，植物也是碳素的重要来源。
植物通过光合作用，将二氧化碳转
化成有机物质，其中就包括碳素。
植物的纤维素、木质素等成分，可以通过化学处理和热解过程，得到生物质炭和木炭等碳素材料。
这些生物质碳素材料具有环保、可再生的特点，是一种重要的可持续发展资源。
总的来说，碳素的原材料主要来自于煤炭、石油、天然气和植物等资源。
这些
原材料经过一系列的加工和转化过程，可以得到各种碳素材料，满足工业生产和人们生活的需求。
随着科学技术的不断发展，碳素材料的应用范围将会越来越广泛，对于资源的合理利用和环境保护也提出了新的挑战。
因此，我们应该更加重视碳素的原材料来源，积极开发和利用新的碳素资源，推动碳素材料产业的可持续发展。
碳素的原材料
碳素的原材料碳素是一种非常重要的化学元素，它在自然界中存在于各种形式的物质中，包括矿石、有机物和生物体。
作为一种重要的工业原材料，碳素的来源多种多样，下面我们就来了解一下碳素的原材料。
首先，我们来谈谈煤炭。
煤炭是一种天然的含碳化合物，是碳素的重要来源之一。
在煤矿中，我们可以开采到各种不同类型的煤炭，包括石煤、烟煤和褐煤等。
这些煤炭中含有丰富的碳元素，可以通过加工和提炼得到碳素原料。
其次，石墨也是一种重要的碳素原材料。
石墨是一种形成于地壳深部的矿物，它的主要成分就是碳。
石墨具有良好的导电性和润滑性，因此在工业生产中有着广泛的应用。
除此之外，石墨还可以用于制造铅笔芯、电池、涂料和润滑剂等产品。
另外，石墨烯也是碳素的重要来源。
石墨烯是由碳原子通过特殊的结构形成的一种二维材料，具有极好的导电性和机械性能。
石墨烯的发现被认为是一项重大的科学突破，它在电子、光电子、生物医药等领域都有着广泛的应用前景。
此外，有机物也是碳素的重要来源之一。
有机物是一类碳基化合物，包括石油、天然气、生物质等。
这些有机物中含有丰富的碳元素，可以通过化工加工得到碳素原材料，用于制造塑料、橡胶、合成纤维等产品。
最后，生物体也是碳素的重要来源。
植物通过光合作用将二氧化碳转化为有机物，其中就包括碳素。
而动物通过食物链摄入植物，也能获取到碳素。
因此，生物体在一定程度上也是碳素的储存库和供给源。
综上所述，碳素的原材料包括煤炭、石墨、石墨烯、有机物和生物体等。
这些原材料在工业生产和科学研究中都有着重要的作用，它们为碳素的应用提供了丰富的资源基础。
随着科技的不断发展和进步，相信碳素的应用领域将会更加广泛，对人类社会的发展产生更大的影响。
碳素材料的合成与应用
碳素材料的合成与应用碳素材料是一种重要的材料，在现代工业中有着广泛的应用。
它的化学元素是碳，具有很高的稳定性、导电性和耐高温性等优点。
碳素材料可以通过不同的合成方式得到，例如物理气相沉积法、化学气相沉积法和化学氧化剂法等。
1. 物理气相沉积法物理气相沉积法是通过高温热解碳源气体来形成碳素材料。
碳源气体可以是甲烷、乙烷等烷烃，也可以是苯等芳香烃。
在高温下，碳源气体会发生裂解反应，生成碳化氢。
随后，碳化氢会在反应器中进行氧化反应，最终形成碳素材料。
物理气相沉积法合成的碳素材料具有高纯度和高晶度等特点，适用于微电子学、纳米技术和生物医学等领域。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是通过化学反应来合成碳素材料。
常用的碳源气体是甲苯、苯、乙炔等。
通过控制反应环境中的温度、压力、反应物浓度和反应时间等参数，可以得到不同形态的碳素材料，例如纳米管、纳米球和纳米线等。
化学气相沉积法合成的碳素材料具有良好的可控性和可重复性，适用于电化学储能、光电子学和传感器等领域。
3. 化学氧化剂法化学氧化剂法是利用氧化剂和碳源反应来合成碳素材料。
常用的氧化剂是硝酸、过硫酸和氯酸等。
碳源可以是石墨、金刚石和碳纤维等。
在化学氧化剂的作用下，碳素材料会发生氧化反应，形成氧化碳素材料。
随后，通过还原反应可以将氧化碳素材料还原成碳素材料。
化学氧化剂法合成的碳素材料具有较高的比表面积和较好的电化学性能，适用于超级电容器、催化剂和锂电池等领域。
碳素材料具有广泛的应用，例如电子器件、催化剂、电池、传感器和复合材料等。
其中，碳纳米管、石墨烯和全碳纳米管等碳素材料在新能源、集成电路、生物医学和环境保护等领域有着重要的应用前景。
总之，碳素材料的合成与应用是一个重要的研究领域，不同的碳素材料合成方法和应用领域之间相互交叉，具有广阔的研究前景。
炭素的生产工艺
炭素的生产工艺炭素是一种非常重要的材料，被广泛应用于工业生产和科学研究中。
炭素的生产工艺有多种，其中最常用的包括石油焦、木材焦和煤焦的加热分解法。
其中，石油焦是石油炼制过程中产生的副产品，在生产过程中会经过高温煅烧、粉碎和筛分等步骤，最终得到石油焦。
石油焦具有高炭含量，纯净度高，是一种高质量的炭素材料。
它广泛应用于钢铁、化工、电子等行业的生产中，如制造石墨电极、铁合金、硅锰合金等。
木材焦的生产工艺相对简单。
首先，将木材放入焦炉中进行热解，生成焦油和木醋液。
然后，通过蒸馏的方法将焦油中的水和杂质去除，得到质量较好的焦油。
最后，将焦油进行加热裂解，得到木材焦。
木材焦用途广泛，主要用于制造活性炭、防腐剂和其他高附加值产品。
煤焦是从煤炭中提取的一种炭素材料。
煤焦的生产工艺相对复杂。
首先，将煤炭进行选矿和破碎，得到煤料。
然后，将煤料放入焦炉中进行加热分解，生成焦炭。
在焦炭的生产过程中，还会产生焦炉气和焦炉渣。
焦炉气可以用于燃烧或作为化工原料，而焦炉渣可以作为建材或肥料使用。
煤焦广泛应用于铁钢、铸造、化工等领域，如制造铁合金、硅锰合金、人造石墨、金属钢化剂等。
除了以上几种工艺外，还有其他一些生产炭素的方法，如电弧炉法、纤维素焦的加热分解法等。
这些方法根据生产需求和原料的不同，选择合适的工艺进行生产。
炭素的生产工艺中，有一些问题需要注意。
首先，需要保证生产过程的安全和环保性，导致的较严重的污染和事故，不仅会影响工人的身体健康，也会对环境造成一定的破坏。
其次，需要控制生产工艺中的温度、压力等参数，以获得所需的质量和性能。
此外，生产过程中还需要考虑能源消耗和原料储备的问题。
总的来说，炭素的生产工艺有多种，可以根据具体的需求选择合适的工艺。
随着技术的进步和需求的不断增加，炭素的生产工艺也在不断改进和创新，以提高生产效率和质量，满足广大用户的需求。
炭素生产原料
2炭素生产用原资料生产炭和石墨资料的原料都是炭素原料。
因为根源和生产工艺的不一样，其化学结构、形态特色及理化性能均存在很大差异。
依据物态来分类，它们能够分为固体原料（即骨料）和液体原料（即粘结剂和浸渍剂）。
此中，固体原料按其无机杂质含量的多少又能够分为多灰原料和少灰原料。
少灰原料的灰分一般小于1％，比如石油焦、沥青焦等。
多灰原料的灰分一般为10％左右，如冶金焦、无烟煤等。
别的，生产中的返回料如石墨碎等也可作为固体原料。
因为各样原料的作用和使用范围不一样，对它们也有不一样的质量要求。
在炭素生产中还使用石英砂等作为协助资料。
2.1 固体原料（骨料）骨料的种类、制造方法及主要特色和用途概括于表2-1。
表 2-1 骨料的种类、制法及主要特色和用途骨料种类制造方法主要特色及用途石油焦石油重质油轻延缓焦化而制得。
灰分较低 ,石墨化性能好 ,热膨胀系数小 ,用于制造人造石墨制品等。
沥青焦比石油焦易于获取密度高而各向异沥青焦煤沥青用延缓焦化法或炉室法制得。
性小的制品。
石墨化性能较差。
用于制造石墨电极、石墨阳极、炭电阻棒、阳极糊等。
石油重质油或煤沥青脱除杂质及原生QI 各向异性显然，石墨化性能最好、热膨胀系针状焦数小。
用于制造超高功率石墨电极或高功率后，经延缓焦化而制得。
石墨电极。
机械强度较高，但灰分也较高。
用于生产炭冶金焦煤在炼焦炉中经高温干馏而制得。
电极、炭块、电极糊等，又是焙烧炉的填补料和石墨化炉的电阻料。
石墨化冶金焦冶金焦经石墨化制得。
导热和导电性优于冶金焦。
在生产炭块、电极糊时少许加入，以提升导热、导电性。
硬沥青焦天然硬沥青经焦化而制得。
球状，硬度、强度高，各向同性。
用于制造密度各向同性石墨。
无烟煤天然矿物，经开采。
组织致密、气孔少，耐磨、耐蚀性好。
用于制造炭块，电极糊，填缝及粘结炭糊等。
抗氧化性、耐热性、耐碱性好，导电、导热天然石墨天然矿物，经开采。
性优秀，有自润滑性。
用于制造电炭产品、机械用炭制品，不透性石墨、膨胀石墨等。
第五章-炭素材料的配料工艺-《炭素材料》教学课件
小颗粒（粉料）的作用是填充颗粒间的空隙，在一定范围内增加小颗粒粉料的用量， 可以提高产品的密度和机械强度，减少气孔，产品加工后表面比较光洁。粉料一般 在配料中占40～70%。但粉料用量过多会走向反面，特别是在焙烧和石墨化热处理 中会产生大量裂纹废品，并且粉料增多导致粘结剂用量增大，反而会降低制品机械 强度和提高制品气孔率。
5.4.2 实际配方中颗粒粒级配比及大颗粒尺寸的确定
1）各种粒级在配方中的作用
炭和石墨制品的配料除选择原料配比外，还要确定粒度组成，即用不同尺寸的大颗粒、 中颗粒和小颗粒（细粉）配合起来使用，目的是使制品能有较高的堆积密度和较小的 气孔率。一般，大颗粒和细粉占较大的比例，而中间颗粒占较少比例。
大颗粒在坯体结构中起骨架作用，适当增加大颗粒的尺寸和提高大颗粒的使用比例， 可以提高产品的抗氧化性能和抗热震性能，减少压型和焙烧工序的裂纹废品；但另 一方面会提高产品的气孔率，降低制品密度和机械强度，加工后产品表面粗糙。
（1）产品配方的粒度组成 成品配方的粒度组成较粗，即粉 料用量较少，大颗粒用量较多，且 大颗粒尺寸较大时，粘结剂用量相 对减少。反之，粒度组成较细的配 方，粘结剂用量必须适当增加，所 以小规格制品要比大规格制品的粘 结剂用量多一些。 （2）物料颗粒性质 粘结剂用量和固体原料的颗粒表面性质有关，无烟 煤表面光滑，气孔较少，对粘结剂吸附性较差，所 以，采用无烟煤为主要原料的炭块、电极糊等制品 的粘结剂用量要少一些，石油焦、沥青焦等为多孔 结构，比表面积大，对粘结剂吸附性能大，所以用 石油焦或沥青焦为原料的制品在一般情况下粘结剂 用量要相对多些。
2）粘结剂用量对生 制品及焙烧制品性能的 影响
每一种使用不同原料、 不同颗粒组成的配方的制 品有一个最佳的粘结剂比 例。粘结剂用量过多或过 少都会影响产品的物理化 学性能。首先表现在成型 工序，当粘结剂用量过少 时，糊料的塑性差，挤压 或模压成型时需提高成型 压力，而且产生裂纹废品 的可能性增加。粘结剂用 量较多时，糊料塑性好， 成型压力较低，成型的成 品率也高一些。但过多的 粘结剂会使生制品挤出或 脱模后容易变形。
碳素工艺配方
碳素工艺配方配料工艺基础(principle of proportion)生产各类炭素制品时固体原料的选择及其组成比例的确定、混合料粒度组成的确定、黏结剂的选择和确定比例、添加剂的选择等。
配料是炭素制品生产过程中的重要工序，各类炭素制品配料方的编制及配料操作的正确性、稳定性对最终产品的物理化学性能和各工序的成品率都有明显影响。
原料的选择不同的炭素制品对原料有不同的要求。
(1)石墨电极分为普通功率石墨电极、高功率石墨电极和超高功率石C墨电极等3个品种，生产不同品种的石墨电极应该使用不同质量标准的石油焦，如生产普通功率石墨电极时对石油焦的要求侧重于灰分的高低及制品石墨化后电阻率的大小，而高功率和超高功率石墨电极不仅要求电阻率小、机械强度高，而且石油焦在石墨化后的热膨胀系数要低，抗氧化性能和抗热震性能要好。
生产超高功率石墨电极—定要使用含硫量较低、热膨胀系数特别低的针状焦，20世纪末中国炭素厂生产高功率及超高功率石墨电极主要使用进口的针状焦，既有石油系针状焦也有沥青系针状焦。
两类针状焦可比较如下：石油系针状焦的价格比沥青针状焦高10％～20％；石油系针状焦的成型性能比较好，挤压成型成品率比较高；石油系针状焦生产的石墨电极的电阻率和热膨胀系数略高于沥青针状焦生产的石墨电极；沥青针状焦含氮量稍高，石墨化过程中气胀较大，—般认为沥青系针状焦不适合生产特大规格的超高功率石墨电极。
中国炭素厂长期以来在生产普通功率石墨电极的配方中加入20％～30％的沥青焦，目的是为了提高产品的机械强度，世界上除俄罗斯等少数国家外，—般生产石墨电极都不使用沥青焦，因为沥青焦经过同样的石墨化高温处理后，真密度较低，电阻率较高，而且在石墨化过程中热膨胀系数比较大。
(2)生产铝用预焙阳极或阳极糊的原料是石油焦或沥青焦，其质量标准基本套用生产普通功率石墨电极的原料质量，含硫量还可以再放宽—点。
(3)生产高纯石墨制品的原料也是以石油焦为主，要求原料的灰分尽可能低，如低于0.15％。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2）石油焦的分类
●根据石油焦结构和外观，石油焦产品可分为针状焦、海绵 焦、弹丸焦和粉焦4种。
沥青焦虽然也是一种易石墨化焦，但与石油焦相比，经过同样的高温石墨化后， 真密度略低，且电阻率较高、线膨胀系数较大。沥青焦是生产铝用炭素阳极和 阳极糊的原料，也是生产石磨电极、电炭制品的原料。
生产沥青焦的原料是中温沥青和高温沥青，高温沥青是中温沥青在氧化釜中用 热空气氧化而成。高温沥青粘度大，装炉温度较高，挥发分含量小，有利于装 炉操作。
冶金焦是生产各种炭块和电极糊的主要原料，此外还可用作为焙烧的填充料、 石墨化的保温料和电阻料。
冶金焦的特点：灰分含量较高，一般为10～15%，挥发分含量为1%左右，不易石 墨化。对于炭素生产来说，冶金焦的灰分应尽可能低一些。
炭素生产用冶金焦的质量指标：灰分：≯13．5％；硫分：≯0．8％；挥发分： ≯1．2％；水分：≯4.0％。
宁夏无烟煤
●无烟煤是生产炭素材料的主要原料，但是并不是所有的无烟煤都可以作为生 产炭素材料的生产原料，能作生产炭素材料的无烟煤必须具有以下条件：
（1）灰份含量要低。灰分含量高的无烟煤生产出的炭素制品质量将会降低，因 为无烟煤中的灰分将全部转移到炭素材料中，在一定程度上降低炭素材料的质 量。生产阴极炭块和高炉炭块的无烟煤灰份要求在8％以下；生产电极糊的无烟 煤灰分应小于10％。
渣油
石油焦是生产各种炭素材料的主要原料。这种焦炭灰分比较低，一般小于1％。 石油焦在高温下容易石墨化。石油焦的特性对炭素材料的性能有很大影响。
2.1.1石油焦的焦化反应与分类
1）焦化反应 石油焦是由渣油经过焦化工艺而制得的产品。渣油的组成很复杂。渣油与原油
同样都是由各种烃类和烃类化合物组成的。在渣油中还有沥青质组分。它与沥 青焦有相似之处，但它含有较多氧、氮、硫。在重柴油馏分中沥青质脱去一个 脂族基便能转化为树脂质。树脂质和沥青质在高温下会进行缩聚反应，最后可 得焦炭。 渣油的焦化反应可归纳为： (1) 渣油中的树脂质—沥青质—焦炭 (2) 渣油中的芳香烃等—高分子缩聚物—树脂质—沥青质—焦炭 (3) 渣油中的烷烃、环烷烃、带长侧链稠环—芳香烃—高分子缩聚物—树脂 质—沥青质—焦炭
●根据硫含量的不同，可分为高硫焦和低硫焦。
●石油焦按照硫含量、挥发分和灰分等指标的不同,分为3个 牌号,每个牌号又按质量分为Ａ、Ｂ两种。
●根据原料渣油的不同，石油焦又分为裂化石油焦、常减压 石油焦和页岩石油焦。
2.1.2 石油焦的质量要求
石油焦的质量可以用灰分、硫分、挥发分和1300℃煅烧后的真密度来衡量。 1）灰分 原油中的盐类杂质经炼制富集在渣油中，最后都转移到石油焦中。
3）挥发分 石油焦的挥发分高低表明其焦化程度，对煅烧工艺有较大影响。
4）真密度 真密度的大小标志着石油焦石墨化的难易程度，一般来说，在 1300℃煅烧过的石油焦真密度较大，这种焦易石墨化，电阻率较低，热膨胀系 数较小。
2.2 沥青焦
沥青焦是一种含灰分和硫分均较低的优质焦炭，它的颗粒结构致密，气孔率小， 挥发分较低，耐磨性和机械强度比较高，其来源是以煤沥青为原料，采用高温 干馏（焦化）的方式制备而得。
（2）机械强度要高。机械强度较高的优质无烟煤经煅烧后，仍能保持原来的块 状，说明强度仍然很高，这样的煤热稳定性能好，是生产炭素制品所要求的主 要特性之一。只有原料的机械强度高，才能制造出机械强度高的炭素制品。
（3）热稳定性要高。有的无烟煤在煅烧后容易裂成小块，强度降低，这样的无 烟煤热稳定性不好。有的无烟煤在煅烧以后，仍然保持原来的块状，机械强度 仍然很高，这样的无烟煤热稳定性好。
石油焦的灰分与焦化工艺、堆放操作中的混杂有关。一般炭素材料生产用的石 油焦灰分不大于0.5％；生产高纯石墨时，石油焦的灰分应不大于0.15％。
2）硫分 硫分主要来自于原油。石油焦中的硫可分为有机硫和无机硫。有机 硫有硫醇、硫醚、硫化物等；无机硫有硫化铁和硫酸盐。石油焦中有机硫占多 数，在较低温度下可除去有机硫。但无机硫要在石墨化高温下才能分解挥发。 少量硫会在高温下生成稳定化合物，只有加其它添加剂才能除去。
1、石油焦
1、煤焦油
炭 素
2、沥青焦
2、炭黑 3、天然石墨 4、蒽油
材
料
3、冶金焦的Βιβλιοθήκη 制4、无烟煤备
原
5、煤沥青
料 6、其他辅助原料
2.1 石油焦
石油焦是石油炼制过程中的副产品。石油经过常压或减压蒸馏，分别得 到汽油、煤油、柴油和蜡油，剩下的残余物称为渣油。将渣油进行焦化 便得到石油焦。因而石油焦的性质主要取决于渣油的种类。
由于沥青焦成焦温度较高，达到1300～1350℃，所以不经煅烧也可以直 接使用。但沥青焦从炼焦炉中推出后采用浇水熄火，一般水分含量大， 所以在生产中它与石油焦一起按比例混合后进行煅烧。
2.3 冶金焦
冶金焦是用几种炼焦煤按一定配比在焦炉中高温干馏焦化而得到的一种固体残留物。生产 冶金焦以炼焦煤为主，适当配入部分肥煤、气煤和瘦煤。首先将选好的炼焦煤破碎和粉碎， 然后按一定比例进行配煤，混合均匀后送入贮煤塔，通过装煤机将塔中原料煤定量从炉顶 装入焦炉炭化室。原料煤在炭化室内处于高温干馏状态。从装煤到出焦的生产周期约15h 左右。当焦饼中心温度达到950～1050℃时，即可推焦出焦，送到熄焦塔用水熄焦(或干法 熄焦)。冷却后的冶金焦最后经筛选分级，检验入库。
2.4 无烟煤
煤是古代植物埋藏在地下，在细菌作用及一定的温度和压力下逐渐变质而得到 的含碳量很高的矿物。按变质程度排列，自然界中有泥炭、褐煤、烟煤和无烟 煤。变质程度越高，则煤的含碳量越高，颜色逐渐变深，密度逐渐增大，硬度 和光泽也逐渐增强。
无烟煤是变质程度较深的一种煤，含碳量一般在90％以上。它的特点是：有机 质含量少、结构致密、强度较高、发热量较高，是生产冶金用炭块、炭电极 （如铝电解槽阴极）和电极糊料的原料。