Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника
Посмотреть оригинал

ГРАФИТ

Графит является одной из аллотропических разновидностей углерода. Это полимерный материал кристаллического пластинчатого строения. Он образован параллельными слоями гексагональных сеток (плоскостей) (рис. 234). В узлах каждой ячейки располагаются атомы углерода. Межатомное расстояние равно 0,143 нм. Между атомами действуют силы прочной ковалентной связи. Отдельные плоскости расположены на расстоянии 0,335 нм и связаны между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях. Между отдельными пластинками в решетке графита имеются свободные электроны, сообщающие графиту электро- и теплопроводность, металлический блеск.

Графит не плавится при атмосферном давлении, а при 3700 °С сублимирует (испаряется), минуя стадию плавления, с затратой значительной тепловой энергии на этот процесс (жидкое состояние углерода может быть достигнуто лишь при 4000 °С и давлении выше 10 МПа).

Кристаллическая решетка графита

Рис. 234. Кристаллическая решетка графита:

А и С—кристаллографические оси

Графит встречается в природе, а также получается искусственным путем. Качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, свойства почти изотропны. Поэтому его применяют лишь как антифрикционный материал и в электротехнике.

Искусственные виды графита: технический и пиролитический (пирографит). Эти виды графита обладают совершенной кристаллической структурой, высокой анизотропией свойств и являются высокотемпературными конструкционными материалами.

В качестве исходных материалов при производстве технического графита применяют твердое сырье — нефтяной кокс и каменноТаблица 53

Физико-механические свойства искусственного графита

Вид

графита

Объемная масса, кг/м*

Пористость, %

Предел прочности, МПа

Модуль упругости, ГПа

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)

Коэффициент линейного расширения а-10-', а-1

при растяжении

при сжатии

при изгибе

ПРОГ

1640

24

  • 10,2
  • 5
  • 50,3
  • 47
  • 17
  • 6,1
  • 8,75
  • 6,1

3,56

1,9—5

ПГ-50

1020

52

  • 3,8
  • 5,2
  • 11,6
  • 11,6
  • 7,5
  • 8

1.7

Пирографит

1950— 2200

1.5

114—133

  • 460—485
  • 105—150

105

При

сжатии

  • 112
  • 70
  • 1,16—3,5
  • 372
  • 23,5
  • 0,0225

Примечание. В числителе приведены свойства графита в перпендикулярном направлении, в знаменателе — свойства в продольном направлении.

угольный пек в качестве связующего вещества. Заготовки формуются в процессе прессования или протяжки (выдавливания). Процесс графитизации осуществляется путем нагрева заготовок (обожженных при 1200 СС) до 3000 °С. Технический графит имеет степень анизотропии физико-механических свойств 3:1.

Пиролитический графит получается из газообразного сырья. Он представляет собой продукт пиролиза углеводородов (метана), который осаждается на нагретых до 1000—2500 °С поверхностях формы из технического графита или керамики. Полученный пирографит можно отделить от подложки и получить деталь или наносить его в виде покрытия на различные материалы с целью защиты их от действия высоких температур. Пирографит характеризуется степенью анизотропии, равной 100 (и более) : 1.

Для повышения качества технического графита применяется рекристаллизация при обжатии под давлением до 50 МПа и температуре свыше 2500 °С, этим повышаются плотность и прочность графита. Обработка парами кремния дает силицированный графит, который можно использовать при высоких температурах и эрозии.

Физико-механические свойства искусственного графита. Свойства графита зависят от природы исходного сырья, технологии получения, плотности, степени ориентации кристаллов и др.

Графит легко расщепляется по плоскости спайности. Твердость его небольшая. Плотность пористого графита составляет 200— 1200 кг/м3, конструкционного — 1500—1850 кг/м3, пирографита

1950—2200 кг/м3. (Теоретическая плотность графита 2265 кг/м3.) Пористость может составлять 80 % и более.

Зависимость предела прочности искусственных видов графита при растяжении в продольном направлении от температуры

Рис. 235. Зависимость предела прочности искусственных видов графита при растяжении в продольном направлении от температуры:

I — пирографит; 2 — технический графит

Промышленностью выпускаются следующие марки графита: Г1РОГ на основе нефтяного кокса, ПГ-50- пористый и пирографит. Свойства этих графитов приведены в табл. 53.

Графит является очень хрупким материалом. Его прочность при сжатии выше, чем при изгибе и растяжении. Для графита характерно увеличение прочности и модуля упругости при нагреве. До температуры 2200—

2400 °С прочность технического графита повышается на 40—60 % и лишь при дальнейшем нагреве прочность теряется (рис. 235). При температуре выше 1700 ЧС проявляется ползучесть, которая имеет небольшую скорость при 2300—2900°С и напряжении 30—ЮМПа. Удельная прочность графита сохраняется высокой при нагреве (и/p для пирографита = 11 км). Графит хорошо проводит теплоту. В плоскости зерен пирографит имеет коэффициент теплопроводности X = 372 Вт/(м-К), а в перпендикулярном направлении X = 1,16 —• 3,5 Вт/(м-К). Поэтому его можно использовать и как проводник теплоты, и как теплоизолятор. Коэффициент линейного расширения а низкий и с повышением температуры растет незначительно. Графит устойчив к воздействию тепловых ударов. Сочетание особых свойств графита делает его перспективным материалом высокой жаропрочности и теплозащитным материалом, работающим по принципу абляции.

В условиях применения графита при высоких температурах, когда теплоотдача излучением является решающим фактором теплообмена, большое значение имеет степень черноты поверхности материала. Степень черноты графитовых материалов составляет 0,7—0,9, она возрастает при нагреве и шероховатости поверхности.

Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами (/ = 0,28), поэтому он применяется в качестве антифрикционных материалов, основным преимуществом которых является способность работать без смазывания в условиях высоких или низких температур, больших скоростей, агрессивных сред и т. п.

Недостатком графита является склонность его к окислению, начиная с температур 400—800 °С, с выделением газообразных продуктов. Поэтому поверхность графита защищают введением легирующих добавок (Nb, Та, Si), которые делают структуру графита мелкозернистой, повышают его твердость и прочность, или нанесением защитных покрытий. Применяют силицирование графита путем обработки его поверхности парами кремнезема (при этом на поверхности графита образуется карбид кремния, обладающий высокой твердостью и прочностью) или нанесением покрытия из керамики (чаще всего наносится А1208).

Графит применяют в высоконагреваемых конструкциях летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах (графит обладает малым сечением захвата нейтронов и способностью замедлять их скорость), в качестве антифрикционного материала и в виде углеграфитовых волокнистых изделий.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы