Теплопроводность графита и меди

Физические свойства углерода C (графита). Теплопроводность графита

Физические свойства графита при температуре от 20 до 800 °С

В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.

Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.

Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.

Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Даны следующие физические свойства графита различной плотности:

• теплопроводность графита, Вт/(м·град);
• сопротивление разрыву, МН/м 2 ;
• модуль упругости графита, МН/м 2 ;
• удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
• коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.

Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры.
Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.

Приведены следующие свойства углерода (графита):

• коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
• удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

Теплопроводность графита в зависимости от плотности

В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности Вт/(м·град).

По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 . Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Теплопроводность графита в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м 3 в зависимости от температуры.

Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).

Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается.

Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней.
Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.

Теплопроводность измельченного графита

В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С.
Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см 2 и сухая сажа).

Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 .

Теплопроводность слоя графитовых частиц в зависимости от его пористости

В таблице представлены значения теплопроводности слоя графитовых частиц (частиц углерода) при пористости от 0,4 до 0,7. Следует отметить, что при увеличении пористости слоя его теплопроводность снижается.

Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры.
КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе ламповой сажи.
Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.

Теплоемкость углерода в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.

Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.

Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах

В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.

Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).

По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.

Графит (углерод). Коэффициент теплового линейного расширения, удельная (массовая) теплоемкость, коэффициент теплопроводности, сопротивление разрыву, модуль упругости графита, удельное электрическое со

Физические свойства графита при температуре от 20 до 800 °С

В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.
Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.

Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.

Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м3.

Даны следующие физические свойства графита различной плотности:

• теплопроводность графита, Вт/(м·град);
• сопротивление разрыву, МН/м2;
• модуль упругости графита, МН/м2;
• удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
• коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.

Применение

Сувенирный графитовый блок.
Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

• для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов.
• электродов, нагревательных элементов — благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).
• Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:

1. Хорошая электропроводность, и как следствие — его пригодность для изготовления электрода
2. Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде — это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия.

• твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках.
• наполнитель пластмасс.
• замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.
• компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином).
• для получения синтетических алмазов.
• в качестве эталона длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа.[10][11]
• для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт.
• для изготовления тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов.
• как токопроводящий компонент высокоомных токопроводящих клеёв.

В Викисловаре есть статья «графит »

• Медиафайлы на Викискладе

Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры. Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.

Приведены следующие свойства углерода (графита):

• коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
• удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

Структура

α-графит β-графит
Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода.

Различают две модификации графита: α-графит

(гексагональный P63/mmc) и
β-графит
(ромбоэдрический R(-3)m). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

Теплопроводность графита в зависимости от плотности

В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности Вт/(м·град).

По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 103·кг/м3, то есть в т/м3. Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м3.

Теплопроводность графита в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м3 в зависимости от температуры.

Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).

Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается.

Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м3 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м3 в зависимости от температуры. Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней. Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.

Теплопроводность измельченного графита

В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С. Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см2 и сухая сажа).

Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 103·кг/м3, то есть в т/м3.

Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры. КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе ламповой сажи. Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.

Искусственный графит

Графит синтезируют из кокса и пека. Это продукты переработки каменного угля, нефтяных смол, угольного дегтя. На них воздействуют химически и механически при высоких температурах. Исходное сырье предварительно сортируют, затем прокаливают, пропитывают. Получается материал почти абсолютной чистоты.

Искусственный графит применяют везде, от безобидного пластика до ядерного оборудования. Самые востребованные марки:

• аккумуляторный;
• карандашный;
• литейный;
• смазочный;
• электроугольный;
• элементный;
• ядерный.

Под каждую марку, сферу использования графита подбирается точная пропорция пека и кокса.

Отличить рукотворные образцы несложно. Например, по треугольной штриховке на плоскостях. Она есть только у минерала природного происхождения.

Теплоемкость углерода в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.

Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.

Графит и его свойства

Некоторые свойства α-графите.

Плотность, г/см-3	2,266
Твердость по Моосу
Температура плавления, К
DHsubl, кДж/моль
Показатель преломления n (546 нм)
Удельное сопротивление, Ом×см	(0,4 – 5,0)×10-4
DHcomb, кДж/моль	393,51
DHform, кДж/моль	0,00

Графит используют в качестве твердой смазки и как материал для грифелей карандашей.

Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах

В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.

Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).

По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.

1. Агроскин А. А., Глейбман В. Б. Теплофизика твердого топлива. М.: Недра, 1980 — 256 с.
2. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники.
3. Шелудяк Ю. Е., Кашпоров Л. Я. и др. Теплофизические свойства компонентов горючих систем.
4. Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.

Основные свойства природного графита

Минералы и горные породы / Описание минерала Графит

Графиты — вещества серого цвета с металлическим блеском, аморфного, кристаллического, или волокнистого сложения, жирные на ощупь, удельный вес от 1,9 до 2,6. По внешнему виду графит, имеет металлический свинцово-серый цвет, колеблющейся от серебристого до черного, с характерным жирным блеском.
Поэтому потребители зачастую называют явнокристаллические графиты серебристыми, а скрытокристаллические — черными.

На ощупь графит жирен и отлично пачкается. На поверхностях он легко дает черту от серебристого до черной, блестящей. Графит отличается способностью прилипать к твердым поверхностям, что позволяет создавать тонкие пленки при натирании им поверхностей твердых тел.

Графит представляет собой алоторопную форму углерода, которая характеризуется определенной кристаллической структурой, имеющей своеобразное строение.

В зависимости от структурного строения графиты делятся на:

• явнокристаллические,
• скрытокристаллические,
• графитоиды,
• высокодисперсные графитовые материалы, обычно называемые углями.
  В свою очередь, явнокристаллические графиты по величине и структуре кристаллов делятся на:
• плотнокристаллические (Боготольское месторождение графита),
• чешуйчатые (Тайгинское месторождение графита).

В чешуйчатых графитах кристаллы имеют форму пластинок или листочков. Чешуйки их жирные, пластичные и имеют металлический блеск.

Важнейшие свойства графита

Электрические свойства

Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 ом.

Термические свойства

Графит обладает большое теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и занимает место между палладием и платиной.

Коэффициент теплопроводности 0,041( в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных.
Температура плавления графита — 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм.
Точка кипения доходит до 4200 С.
Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, находится в пределах от 7832 до 7856 ккал.

Магнитные свойства

Графит считается диамагнитным.

Растворимость графита

Химически инертен и не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При растворении образуются карбиды, наиболее важными свойствами которых являются карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора.
При обычных температурах графит соединяется с другими веществами весьма трудно, но при высоких температурах он дает химические соединения со многими элементами.

Упругость графита

Графит не обладает эластичностью, но тем не менее он может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм 2 , а модуль изгиба равен 836 кг/мм2.

Оптические свойства

Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55.

Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям.

Благодаря этим свойствам имеется возможность создавать тонкие пленки при натирании графитом поверхности твердых тел.

Низкий коэффициент теплового расширения графита и связанная с этим высокая стойкость к температурным напряжениям, является решающим фактором применения его, как важного и незаменимого вспомогательного материала в металлообрабатывающей, чугунолитейной и сталелитейной промышленности, т.е. всюду, где рабочие поверхности должны предохраняться от прямого воздействия расплавленного металла. Важным преимуществом при таком использовании является также его несмачиваемость, полностью восстановленными металлами и нейтральными шлаками, прочность при высоких температурах. Применение графита при отливе деталей повышает качество отливов, уменьшает количество брака, и предупреждает образование пригара, на удаление которого требуется большие усилия и затраты.

Сырые литейные формы и стержни покрываются слоем сухого графитового порошка. Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической промышленности.

Графит прекрасный футеровочный материал электролизеров для получения алюминия. Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других тепловых агрегатов.

Из графита готовятся тигли, лодочки для производства сверхтвердых сплавов.
В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства теплообменников, работающих в агрессивных средах.

А так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.
Отечественная промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные — гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи.

В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников.

5.8. Теплофизические и некоторые другие характеристики материалов

Перенос тепла в твердом теле определяется коэффициентом тепло­проводности. Для металлов разработаны теории проводимости тепла, согласно которым перенос энергии осуществляется электронной тепло­проводностью (свободными электронами) и фононной теплопровод­ностью (колебания кристаллической решетки).

*Lemoine L. Solid rocket nozzle thermostructure behavior // AIAA Paper ,N 75-1399. 9 p.

В графитах и пирографитах, имеющих кристаллическую структуру, перенос энергии почти полностью осуществляется колебаниями решетки, т.е. фононной теплопроводностью. Такой же механизм может быть реализован в углерод-углеродных композициях и прококсованных слоях углепластиков, в которых наполнитель и твердый остаток связующего после пиролиза представляет собой подобие кристаллов.

Композиционные материалы обладают разнообразием структур, значения теплопроводности определяют по различным моделям. Наиболее распространенные типы структур композитов представлены на рис. 5.35. К дисперсным структурам можно отнести теплозащитные материалы на основе резин и каучуков с наполнителями, а также пресованные угле- и стеклопластики с наполнителями из мелких кусков волокон. Слоистые структуры имеют угле- и стеклопластиковые детали сверхзвуковых частей сопел, получаемые намоткой лент наполнителя на оправку. К этим же структурам можно отнести графиты и пирографиты, имеющие анизотропию свойств по направлениям оси прессования (осаждения). Углерод-углеродные композиции, полученные из карбонизованных углепластиков с последующим осаждением пироуглерода также имеют слоистую структуру, только матрица их состоит из углерода, а не из органического связующего.

Значения коэффициентов теплопроводности слоистого углепластика полученные прямыми методами, приведены на рис. 5.36. До температуре начала пиролиза (Т 2100 К) теплопроводность прококсованного слоя начинает увеличиваться вслед­ствие переноса тепла излучением.

Рис. 5.36. Теплопроводность углеплас­тика:

□ — исходный состав, 0, • — прококсованные образцы, ,— исходный состав,=90°, — прококсованные образцы, =90°

Значения теплопроводности графита ПРОГ-2400 и пирографита УПВ-1 в зависимости от температуры при двух значениях угла ориента­ции плоскости прессования (осаждения) тепловому потоку приведены на рис. 5.37 согласно данным работы [16]. Существует резкая анизотро­пия проводимости пирографита и уменьшение значений с ростом тем­пературы, подтверждающее положение фононной теории теплопровод­ности.

Давление среды, окружающей образец, при экспериментальном опре­делении теплофизических свойств асботекстолита оказывает влияние на значения коэффициента теплопроводности. Исследования выполнены прямым методом при давлении 0,2; 1,2 и 4 МПа и в диапазоне темпера­тур 470. 730 К. По мере увеличения давления происходит увеличение проводимости вследствие уменьшения скорости термической деструк­ции из-за смещения температуры кипения продуктов разложения в об­ласть повышенных температур. При Т>730 К значения теплопроводнос­ти также выше значений при атмосферном давлении [37].

В работах Тейлора исследована проводимость импульсным методом углерод-углеродного композиционного материала трехмерной структу­ры (см. рис. 5.35). Материала имел плотность 1883 кг/м 3 , открытую объемную пористость 2%, объемные фракции волокон по осям х и у 0,13 и объемную фракцию волокон по оси z 0,22. Значения теплопровод­ности в зависимости от температуры для разных осей координат образца материала приведены на рис. 5.38. Наблюдается снижение проводимости с ростом температуры.

Теплозащитные материалы на основе резин и каучуков имеют самые низкие значения коэффициентов теплопроводности. Так, при Т=300…400 К значения не превышают 0,21. 0,25 Вт/м•К, а в случае напол­нения материалов полыми микросферамине превышает 0,12. 0,15 Вт/(м*К).

Теплоемкость композитов определяют в концепции дисперсной среды [24]:

.

Влияние степени термодеструкции на значение теплоемкости можно оценить по соотношению [37]

.

Рис. 5.37. Теплопроводность графита и пирографита:

— пирографит УПВ-1, ,— пирографит УПВ-1,=90°; • — графит ПРОГ-2400,, о — графит ПРОГ-2400, =90°

Рис. 5.38. Теплопроводность углерод-углеродной композиции трехмерной структуры:

о – ось х; • — ось z

Результаты экспериментальных исследований прямым методом теплоемкости композиционных материалов [16, 24, 37] представлены на рис. 5.39. Для графита, пирографита и углепластика характерно увеличение теплоемкости с ростом температуры.

Показатели пиролиза коксующихся материалов определяют потерю массы и тепловые коэффициенты, значение которых необходимо для моделирования температурных полей в материалах, потерь импульса из-за трения (вдув продуктов разложения в пограничный слой). Важно знание показателей пиролиза и при создании материалов тепловой защиты так как получить прочный прококсованный слой можно на связующих с максимальным выходом твердого остатка.

В экспериментах Ю.Е. Фраймана по нагреву фенол-формальдегидного полимера со скоростью b =12 К/мин до температуры 1273 К установлено, что процесс пиролиза может быть разделен на четыре этапа в интервалах температуры до 453 К, 453. 633 К, 633. 1013 К и выше 1013 K. При нагреве до 633 К происходит выделение адсорбированной влаги, окиси и двуокиси углерода и воды вследствие частичной дегидратации полимера. Самым сложным является процесс пиролиза при Т=633…1013 К.

В этом диапазоне температур происходит разрыв связей основной цепи полимера, что приводит к образованию большого количества низкомолекулярных продуктов и газообразных веществ: фенола, толуола, крезола, ксиленолов, окиси и двуокиси углерода, водорода, предельных и ненасыщенных алифатических углеводородов.

Скорость термодеструкции полимеров определяет кинетика процесса разложения, являющаяся функцией теплового нагружения и структуры материалов. Если рассматривать процесс деструкции одностадийным, то скорость потери массы определяет классическое кинетическое уравне­ние [37]:

где К₀ и Е — кинетические константы, определяемые экспериментально; п — порядок реакции.

Рис 5.39. Теплоемкость материалов тепловой защиты:

₀ — углепластик, исходный состав; • — углепластик, прококсованные образцы; — графит ПРОГ-2400;— пирографит УПВ-1

Однако процесс пиролиза является многостадийным и зависящим от темпа нагрева (рис. 5.40 [37]), особенно в диапазоне 630. 740 К.

В инженерных расчетах используют формальные значения констант К₀ и Е, охватывающие все имеющиеся экспериментальные данные в при­ближении одностадийного процесса, а порядок реакции п принимают рав­ным нулю. Учет много стадийности процесс пиролиза выполняют разде­лением температурного диапазона на характерные этапы, для каждого из которых вычисляют свои значения — К_о и Е. Влияние темпа нагрева на скорость потери массы учитывают модификацией (5.19) в виде

. (5.20)

Однако в работе [37] показано, что при больших темпах нагрева кинетическое уравнение одностадийного процесса в виде (5.19) ил (5.20) не отражает истинного процесса потери массы при пиролизе.

В углепластиках доля связующего имеет значение примерно 0,4 коксовое число композита составляет 0,7. 0,73 в степени предельного разложения при значении коксового числа фенол-формальдегидной смолы примерно 0,52.

Рис 5.40. Потеря массы при пиролизе эпоксидного связующего:

1 — b=50 К/мин, 2 — b=20 К/мин, 3 — b=80К/мин, 4 — b=160 К/мин.

Тепловой эффект пиролиза коксующихся материалов учитывают в уравнении теплопроводности членом

,

а под понимают эндотермический тепловой эффект одностадийнойреакции термического разложения полимера.

Данные дифференциально-термического анализа углепластика на основе фенольно-формальдегидной смолы, приведенные на рис. 5.41, указывают на существование как эндо-, так и экзотермических реакции.

Термические свойства графита

Графит обладает большое теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и занимает место между палладием и платиной.

Коэффициент теплопроводности 0,041( в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных.

Температура плавления графита — 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм.

Точка кипения доходит до 4200 С.

Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, находится в пределах от 7832 до 7856 ккал.

Графит не обладает эластичностью, но тем не менее он может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм 2 , а модуль изгиба равен 836 кг/мм 2 .

Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55.

Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям.

Благодаря этим свойствам имеется возможность создавать тонкие пленки при натирании графитом поверхности твердых тел.

Низкий коэффициент теплового расширения графита и связанная с этим высокая стойкость к температурным напряжениям, является решающим фактором применения его, как важного и незаменимого вспомогательного материала в металлообрабатывающей, чугунолитейной и сталелитейной промышленности, т.е. всюду, где рабочие поверхности должны предохраняться от прямого воздействия расплавленного металла.

Важным преимуществом при таком использовании является также его несмачиваемость, полностью восстановленными металлами и нейтральными шлаками, прочность при высоких температурах. Применение графита при отливе деталей повышает качество отливов, уменьшает количество брака, и предупреждает образование пригара, на удаление которого требуется большие усилия и затраты.

Сырые литейные формы и стержни покрываются слоем сухого графитового порошка. Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической промышленности.

Графит прекрасный футеровочный материал электролизеров для получения алюминия. Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других тепловых агрегатов.

Применение графита. Природные графиты применяются во многих технологических и производственных процессах: огнеупоры (высококачественные, графито-магниевые, алюмо-графитовые), литейное производство, тормозные накладки, смазки, карандашное производство, тигли, гальванические батареи, щелочные аккумуляторы, порошковая металлургия, углеграфитовая материалы (электрощетки, электроугольные изделия, антифрикционные материалы), производство стали, терморасширенный графит, другие области (красящие и полирующие вещества),противоугарные материалы, детали для электротехники, магнитные ленты, производство промышленных алмазов, суспензии охлаждающие и смазывающие). Графиты искусственные измельченные — предназначены для науглероживания чугуна и стали в мартеновском, кислородно-конверторном и электросталеплавильном процессах при выплавке стали с пониженной долей чугуна в шихте, для вспенивания шлаков в металлургических процессах, при изготовлении углеграфитовых материалов и изделий, в качестве наполнителя для графитопластов и как самостоятельные продукты в других потребляющих производствах.Из графита готовятся тигли, лодочки для производства сверхтвердых сплавов.

В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства теплообменников, работающих в агрессивных средах.

А так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.

Отечественная промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные — гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи.

В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников.

Графит служит высокоогнеупорной отощающей добавкой в керамических массах. Тигельной массе он сообщает высокую огнеупорность, теплопроводность и термическую стойкость, придает тиглям гладкую поверхность, к которой плохо пристает расплавленный металл. Он восстанавливает при высоких температурах металлические окисли и препятствует окислению металла.

Наибольшее значение имеет производство графитовых плавильных тиглей, а также крышек к ним. Кроме того, из графита изготавливаются надставки и подставки к тиглям, тигли для специальных печей , реторты. Ванны для пайки, ванны для обжига карандашных стержней, графитокарборундовые муфели и другие изделия. В качестве высокоогнеупорного материала кристаллический графит применяется при изготовлении высококачественных высокоогнеупорных облицовочных изделий для кладки доменных печей, топок, паровых котлов.

Свойства графита: плотность, марки, твердость, строение

Графит – материал, которым пользовались для создания рисунков и надписей еще 4000 лет назад. Его название происходит от древнегреческого слова «графос» – «писать».

Месторождения графита расположены там, где залежи каменного угля или битумов подверглись действию высоких температур (при выходе лавы на поверхность). Кристаллическая решетка минерала состоит из атомов углерода. Но связи между слоями слабые, поэтому при соприкосновении материала с любой поверхностью остается темно-серый след из микроскопических чешуек.

Добыча натурального минерала достаточно затратна: на некоторых месторождениях в породе содержится 6–10% графита. Современные технологии позволяют синтезировать материал, по многим параметрам превосходящий натуральный.

Свойства графита

Низкая твердость минерала объясняется слабыми связями между атомными слоями: ему присвоен всего 1 балл по шкале Мооса (твердость алмаза, другой аллотропной формы углерода, оценена в 10 баллов).

Полезные свойства графита, используемые в промышленности:

1. Электропроводность. От большинства металлов минерал отличается тем, что при повышении температуры его электропроводность возрастает. По этому показателю он в 2,5 раза превосходит ртуть.
2. Теплопроводность минерала составляет 3,55 Вт*град/см, коэффициент теплопроводности – 0,041. Материал проводит тепло лучше меди.
3. Инертность. Большинство агрессивных кислот, щелочей и солей не растворяют графит. Материал интенсивно окисляется на воздухе при температуре выше 750 K.
4. Термостойкость. Минерал способен выдерживать значительные колебания температуры. Он не плавится, но при температуре 3900 K и давлении 0,9–1 атм переходит из твердого состояния в газообразное (сублимирует).
5. Механическая прочность материала увеличивается при повышении температуры до 2700 K, затем начинает понижаться.

Из-за того, что связи между атомами в слое гораздо прочнее, чем между слоями, некоторые свойства графита (электропроводность, теплопроводность) носят анизотропный характер: в направлении, перпендикулярном атомным слоям, сопротивление в несколько раз выше, а теплопроводность ниже, чем в параллельном.

Производство искусственного графита

Искусственный графит отличается от натурального тем, что при синтезе можно получить материал с заранее заданными параметрами. Кроме того, его изготавливают из отходов производства: каменноугольного пека и нефтяного кокса.

Смесь мелких фракций формуют (пропорции зависят от марки графита), полученные заготовки обжигают при температуре 800–1200°C. Процесс обжига и последующего охлаждения занимает 3–5 недель. Чтобы увеличить плотность графита, заготовки дополнительно пропитывают пеком. Последний этап – графитация: термическая обработка заготовок в специальной печи при температуре 2400–3000°C. При графитации формируется кристаллическая решетка материала. Такой графит обладает максимальной электропроводностью и теплопроводностью.

Анизотропность свойств присуща искусственному графиту полученному методом экструзии. Более новая технология: изостатическое прессование, – позволяет изготовить материал с изотропными свойствами и низким коэффициентом трения. Если плотность графита, синтезированного по методу экструзии, составляет 2,0–2,23 г/см³, то аналогичный показатель для изостатического рекристаллизованного графита может, в зависимости от марки, варьироваться от 1,85 до 5 г/см³. Из такого материала производят крупногабаритные заготовки (длиной свыше 1000 мм, диаметром более 500 мм) для изготовления литейных форм и деталей, обладающих антифрикционными свойствами.

Марки графита

Существует возможность синтеза материала с разной величиной зерна:

• 500–3000 мкм – крупнозернистый графит, марка ЭГ, ГЭ;
• 150–500 мкм – среднезернистый, марки ППГ, ВПГ, В-1;
• 30–50 мкм – мелкозернистый, марки МПГ, МГ, АРВ;
• 30–150 мкм – мелкозернистый изотропный, марка МИГ-1;
• 1–30 мкм – тонкозернистый, марка МИГ-2 и изостатические графиты.

Искусственный графит широко применяется во всех отраслях промышленности. К примеру, из крупнозернистого материала делают электроды. Мелкозернистый конструкционный графит марок АРВ, МГ используют при изготовлении фасонных изделий сложной формы. Применение искусственного графита позволяет достичь высочайшей точности при изготовлении различных деталей и производить технику, соответствующую стандартам XXI века.