Виды углеграфитовых материалов (УГМ) Лекция 2

Рис. 1. Термическая стабильность углеродных наноструктур

Рис. 2. Схематическая обобщенная фазовая диаграмма «металлуглерод». М металл, Э эвтектика металлуглерод. Линии a'^b'^c'^d' исоответствуют высокотемпературному и низкотемпературному путям синтеза углеродных отложений, соответственно

Модель зародыша SiC в виде «гофрированного листа» Рис 3. Модели углеродного зародыша и зародыша карбида кремния на поверхности металлической частицы

Классы УГМ 1. электродные изделия; 2. огнеупорные материалы; 3. химически стойкие изделия (конструкционные материалы); 4. электроугольные изделия; 5. антифрикционные изделия; 6. графитированные блоки и детали для атомной энергетики; 7. углеродистые массы и пасты; 8. углеродные волокна и углепластики; 9. углеродные наноматериалы.

1. Электродные изделия В зависимости от исходного сырья делятся на: 1. угольные – антрацит; 2. коксовые – малозольный кокс; 3. графитовые – графит (естественный, искусственный, пропитанный смолами; измельченный, пропитанный фенолформальдегидной смолой); 4. графитированные – малозольные коксы с дальнейшей графитацией.

Основные свойства электродов ПоказателиУгольные электроды Графитированн ые электроды Зольность, %0,2–0,50,05–0,10 Плотность, кг/м – –2250 Удельное электрическое сопротивление, мкОм ۟ м30–807–15 Коэффициент теплопроводности λ, Вт/мК 4,2–8,4122–210

Основным видом катодной продукции являются: катодные блоки, из которых выкладываются подина и боковые стенки электролизеров, используемых для электролиза оксида алюминия; графитированные аноды, применяемые для получения хлора, каустической соды при электролизе водных растворов хлорида натрия, которые должны обладать максимальной электропроводностью.

2. Огнеупорные материалы При высоких температурах (выше 2000 °С) углеродистые материалы, в силу своих специфических свойств и относительно низкой стоимости, незаменимы при строительстве различных типов печей.

Огнеупорные материалы применяются для: 1. футеровки лещади и горна; 2. изготовления тиглей, ложечек, изложниц для плавки сверхчистых металлов; 3. изготовления графитовых пресс-форм; 4. изготовления форм для литья больших слитков углеродистых легированных сталей; 5. изготовление «смолопропитанных огнеупоров»

3. Химически стойкие изделия В настоящее время теплообменная аппаратура из графита успешно применяется в большинстве производств с агрессивными средами. Для усиления свойств графита его пропитывают синтетическими смолами и получают композиты. Пористые углеграфитовые материалы применяются для фильтрации газов и жидкостей.

4. Электроугольные изделия В отличие от электродных электроугольные изделия являются более мелкими: 1. щетки в контактах электрических машин; 2. осветительные угли в буровых лампах; 3. угли в спектральном анализе; 4. элементные угли.

5. Антифрикционные изделия Графит обладает свойством самосмазываемости. При работе пары графит–металл на поверхности металла образуется тонкая пленка ориентированных кристаллов графита, которая обеспечивает устойчивый режим скольжения. Эти изделия способны работать в широком интервале температур (от –200 до °С), при высоких скоростях скольжения (до 100 м/с) в агрессивных средах.

6. Графитовые материалы для атомной энергетики Углеграфитовые материалы используются в ядерных реакторах в качестве замедлителей и отражателей нейтронов в активной зоне реактора. Из четырех видов замедлителей – простая вода, тяжелая вода, бериллий и графит – последний является одним из подходящих замедлителей. Он практически не поглощает тепловые нейтроны.

7. Углеродные массы и пасты Используют в самоспекающихся электродах (электродная и анодная масса), они служат для заполнения швов между углеграфитовыми блоками Самоспекающийся электрод представляет собой металлический кожух, заполненный электродной массой. Под действием высокой температуры масса спекается, приобретая свойства угольных электродов.

Электролизер с самообжигающимся анодом

Углеродные массы и пасты применяются: 1. при кладке и футеровке печей, а также для набивки подин электролизеров и печей; 2. производство алюминия и феросплавов; 3. производство карбида кальция; 4. производство фосфора; 5. производство абразивных материалов.

8. Углеродные волокна и углепластики Углеродные волокна. Независимо от метода получения углеродных волокон форму изделию придают на стадии предварительной обработки, при пиролизе эта форма уже не изменяется.

Углеродные нановолокна и нанотрубки, получаемые из углеродных остатков Состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчиваются обычно полусферической головкой Пряжа из сверхтонких мономолекуляных углеродных волокон диаметром < 0,1 мкм Очень высокий модуль упругости и предел прочности на разрыв

Важные механические свойства: прочность на разрыв модуль упругости Углеродные волокна классифицируют на: высокопрочные (>3 ГПа) сверхвысокопрочные (>4,5 ГПа) низкомодульные (Е350 ГПа) ультравысокомодульные (Е>450 ГПа).

Получение углеродных волокон 1. выдавливания через отверстия (фильеры) с вытяжкой, при этом структурные элементы полимера, вначале имеющие форму спирали или глобулы, приобретают форму фибрилл (нитевидных образований); 2. стабилизация волокна (обычно окислительная) придает неплавкость при последующей обработке.

Сырье для производства углеродных волокон 1. Полиакрилонитрил (ПАН) – формирование упорядоченной графитоподобной сетки происходит довольно легко; 2. Гидроцеллюлоза (ГЦ) – присутствие кислородных атомов затрудняет создание непрерывной ароматизированной структуры углеродного материала. Карбонизация ПАН и ГЦ-волокон происходит в интервале температур 400– 900 °С, а графитация – 1800–2500 °С.

Стеклоуглерод Стеклоуглерод – продукт термической переработки сетчатых полимеров: фенолформальдегидных смол (ФФС), целлюлозы. Структура стеклоуглерода – это клубок беспорядочно переплетенных углеродных лент, состоящих из микрокристаллитов, сшитых углеродными связями различной кратности.

Получение стеклоуглерода 300–400 °С – реакции дегидратации с замыканием циклов и значительно уменьшается содержание кислорода; >600 °С – раскрытие фурановых циклов и последующая ароматизация; 700 до 3000 °С – рост гексагональных структур с выделением водорода (не поддается графитации даже при температуре 3000 °С).

9. Углеродные наноматериалы – фуллерен; – нанотрубка; – нанографит.

Фуллерены Фуллерены молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода (sp 2 -гибридизация). Брутто формула C n, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Нанотрубки Однослойная нанотрубка представляет собой цилиндр, получаемый сворачиванием графенового слоя с бесшовным соединением его кромок. Экспериментально установлено, что диаметр однослойных трубок составляет приблизительно 0,7–2,0 нм, а длина их может быть в пределах от сотен нанометров до микрометра.

Однослойные углеродные нанотрубки трех разных типов хиральности

Нанографиты Они являются структурными элементами (блоками) многих пористых углеродных материалов. Нанографитовые частицы связаны друг с другом небольшим числом С–С-связей sp 3 - типа. Систему несвязанных друг с другом нанографитовых частиц можно получить термообработкой при высоких температурах в инертной газовой среде алмазного порошка, состоящего из частиц нанометрового размера.