Структура углеграфитовых материалов Лекция 1 Доцент каф. ХТТ и ХК, к.т.н. Левашова А.И. Аспирант каф. ХТТ и ХКПопок Е.

Композиционные материалы

Кристаллическая решетка и свойства графита Кристаллическая решетка графита состоит из слоев атомов углерода, содержащих шестиугольные кольца. Как и в молекуле бензола, в графитовом слое благодаря эффекту сопряжения происходит объединение π-электронов в слое, что придает его электрическим и оптическим свойствам металлический характер. Энергия связи атомов в слое составляет 167,6 кДж/моль при 1391 К (1118 °С). Энергия связи между слоями равняется 16,75 Дж/моль при 288 К (15 °С).

Виды дефектов кристаллической решетки Возникновение дефектов кристаллической решетки графита обусловлено несколькими причинами. В качестве примера ниже приведены две из них. Дефекты в упаковке слоев в результате нарушений в закономерностях их чередования. В искусственных графитах часто встречается турбостратная структура, в которой пакеты параллельных слоев кристаллов графита ориентированы по отношению друг к другу под разными углами.

Дефекты в связях решетки графита: незаполненность части углов шестигранников графита; межузельные атомы; внедрение гетероатомов в межслоевое пространство и в вакантные узлы в решетках. Подобные дефекты неблагоприятно влияют на специфические свойства графита, увеличивая его электрическое сопротивление, ухудшая механические свойства, нарушая анизотропию, способствуя формированию пористой структуры материала.

Пористость Графитированные материалы20–30 % Обожженные материалы14–25 % Высокопористые (теплозащитные) материалы до обжига 80–85 % Высокоплотные материалы10–12 % Пирографит2–3 %

Электропроводность Алмаз – диэлектрик, его электросопротивление одинаково по всем направлениям кристалла Графит – проводник металлического типа в направлении, параллельном слоям. В направлении, перпендикулярном слоям, графит – полупроводник. Электропроводимость графита в направлении, параллельном слоям, на два–три порядка выше таковой в перпендикулярном направлении.

В поликристаллических углеродных материалах общая проводимость определяется двумя составляющими: – электропроводностью кристаллов (по металлическому типу); – электропроводностью аморфного углерода (полупроводник). Электропроводность полупроводника с увеличением температуры падает, а металла – растет. Для обожженных материалов до 2000 °С удельное сопротивление уменьшается. Такая же зависимость сохраняется для графитированных материалов до 400–600 °С. Дальнейшее увеличение температуры приводит к обратному эффекту.

Влияние нейтронного облучения Радиоактивное излучение резко изменяет кристаллическую структуру графита: увеличивается расстояние между базисными плоскостями, растет общий объем материала, снижается электро- и теплопроводность. При термической обработке первоначальные свойства графита возвращаются.

Модуль упругости УГМ относят к неупругим материалам. При наложении напряжения происходит хрупкое разрушение после небольшой упругой деформации. Модуль упругости УГМ при растяжении находится в пределах 2,5–15 ГПа. С повышением температуры для большинства УГМ модуль упругости увеличивается.

Трение Графит обладает высокими смазывающими свойствами, обусловленными его слоистой структурой и малыми силами связи между слоями. Хорошие атифрикционные свойства графита объясняются образованием на его скользящих поверхностях защитного слоя, обладающего высокой адгезией к различным материалам. Кроме того, адсорбированные на поверхности графита газы и пары снижают коэффициент трения.

Химические свойства Содержание золы и серы Их количество зависит от содержания золы и серы в углеродистых веществах, используемых в качестве сырья, а также от температуры обработки УГМ. Максимальной зольностью обладают материалы, полученные на основе антрацитов (4–8 %); минимальной – из малозольных нефтяных и пековых коксов и технического углерода. В графитированных материалах зольность не превышает 1 %.

Окисление В окислительных средах графиты стойки при относительно низких температурах, но при высоких температурах они вступают в реакции сравнительно легко. Так например, реакция с кислородом воздуха начинается при 400 °С, а с СО 2 – при температуре 500 °С Диапазоны рабочих температур: ядерные реакторы – до 600 ºС, антифрикционные материалы – 200– 600 °С, в химических реакторах, кроме высоких температур, имеет место еще и длительное взаимодействие с агрессивными средами.

Катализаторами процесса окисления могут быть примеси, особенно железа, ванадия, натрия. С увеличением упорядоченности кристаллической структуры графита повышается температура начала реакции и уменьшается скорость реакции. При 600 °С стойкость пирографита к окислению в пятнадцать–восемнадцать раз выше стойкости обычного графита. Карбиды (Si, Zr) приводят к интенсификации процесса графитации. Для реакторного графита необходима высокая степень чистоты, что ограничивает присутствие в нем примесей.

Поведение УГМ в агрессивных средах Стеклоуглерод практически не реагирует с кислотами и их смесями, не взаимодействует с расплавами фторидов, сульфидов, металлов III группы. Пирографит проявляет свойства, близкие свойствам стеклоуглерода. Скорость разрушения материала существенно зависит от различных пропиток и добавок, а также от термообработки исходного сырья и способа получения материала.