Лекция 3 - Углеродные материалы

Лекция 3
Лк_3_ФМ
1
Применение:
• атомная энергетика,
• авиационная и ракетная техника,
• химическая промышленность и др.
Это приводит:
• к непрерывному расширению ассортимента углеродных
материалов;
• созданию материалов с новыми свойствами;
• углублению исследований их химических и физических
параметров.
Особые свойства:
• высокая тепло- и электропроводность;
• возможность получения в дисперсной и компактной форме;
• высокая химическая и электрохимическая стабильность;
• недефицитность исходного сырья;
• относительно низкая стоимость углеродных материалов и изделий
из них.
Лк_3_ФМ
2
Углерод в природе
- в земной коре 0,48% по массе.
Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и
графита.
Основная масса углерода встречается в виде:
• природных карбонатов (известняки и доломиты),
• горючих ископаемых - антрацит,
• бурые угли,
• каменные угли,
• горючие сланцы,
• нефть,
• природные горючие газы,
• торф ,
• битумы и др.
В атмосфере и гидросфере углерод находится в виде диоксида
углерода CO2, в воздухе 0,046% CO2 по массе, в водах рек,
морей и океанов в ~ 60 раз больше.
Лк_3_ФМ
3
Лк_3_ФМ
4
При нормальных условиях термодинамически устойчив только
графит, а алмаз и другие формы метастабильны.
При атмосферном давлении и температуре выше 1200 К алмаз
начинает переходить в графит, выше 2100 К превращение
совершается за секунды.
При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 К.
Жидкий углерод существует только при определенном внешнем
давлении.
Тройные точки: графит – жидкость – пар T =4130 К, Р=12 МПа;
графит – жидкость – алмаз T=4100 К, Р =12,5 ГПа.
Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 К и
давлении 11–12 ГПа.
Лк_3_ФМ
5
Графит
от древне-греческого γράφω — пишу.
В природе графит образуется при высокой температуре в
вулканических и магматических горных породах.
Искусственные методы синтеза:
1.нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C;
2. из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500°С
в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося
пироуглерода (это углеродные пленки, образующиеся на нагретых
поверхностях по причине термического нарушения целостности вещества)
до температуры 2500—3000 °С при давлении 50 Мпа
Лк_3_ФМ
6
Свойства графита









Хорошо проводит электрический ток
низкая твёрдость (1-2 по шкале Мооса)
Плотность 2,08 — 2,23 г/см³.
Цвет тёмно-серый,
блеск металлический.
Неплавок, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха.
В кислотах не растворяется. Ж
ирный (скользкий) на ощупь.
Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа.
Структура графита
У  -графита половина
атомов каждого слоя
располагается над и под
центрами шестиугольника,
а у β-графита каждый
четвёртый слой повторяет
первый.
-графит
Лк_3_ФМ
 -графит
7
Использование графита основано на ряде его уникальных свойств
 для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит (
температурная стойкость, хим.стойкость к ряду расплавленных
металлов);
 электродов, нагревательных элементов ( электропроводность,
хим.стойкость к агрессивным водным растворам);
 для получения хим.активных металлов методом электролиза
расплавленных
соединений
(
электропроводность;
газообразность продукта реакции);
 как твёрдо смазочный материал, в комбинированных жидких и
пастообразных смазках;
 как наполнитель пластмасс;
 как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах;
 как компонент состава для изготовления стержней для чёрных
графитовых карандашей (в смеси с каолином);
 для получения синтетических алмазов;
 как токопроводящий компонент высокоомных токопроводящих
клеёв
 …..
Лк_3_ФМ
8
Алмаз
1694 г. – Дж.Аверани и К.Тарджони при попытке
сплавить несколько мелких алмазов в один крупный
обнаружили, что при сильном нагревании алмаз
сгорает, как уголь.
1772 г. – А.Лавуазье установил, что при сгорании
алмаза образуется диоксид углерода.
1814 г. – Г.Дэви и М.Фарадей окончательно
доказали, что алмаз является химическим
родственником угля и графита.
1823 г. – В.Каразин, первая попытка синтеза алмаза
Лк_3_ФМ
9
1879 г. – Д.Хэнней обнаружил, что при взаимодействии
щелочных металлов с органическими соединениями происходит
выделение углерода в виде чешуек графита.
1893 г. - профессор Хрущов при быстром
охлаждении расплавленного серебра, насыщенного
углеродом, также получил кристаллы, царапавшие
стекло и корунд.
1943 г. - повторное исследование образцов Хэннея
подтвердило, что полученные кристаллы являются
алмазами.
1961 г. - появились первые публикации фирмы
"DuPont" о реализации идей получения алмаза путём
прямого фазового перехода из графита.
Лк_3_ФМ
10
УГЛЕГРАФИТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
- технические материалы на основе природного или
синтетического графита.
Свойства:
 высокая жаростойкость (до 3700 оС при давлении до 20
ГПа); высокая прочность при повышенных температурах;
 стойкость на воздухе, в паро-воздушной и агрессивных
неокислительных средах;
 высокий (до800 ГПа) модуль упругости.
Лк_3_ФМ
11
Каменноугольный кокс
стеклоуглерод
нефтяной кокс
Углеродная лента
графит
С-С композит
Технический углерод (сажа)
Углеродные волокна
Применение - Углеграфитовые материалы применяют в качестве
конструкций
жаростойких
(для
оснастки
и
футеровки
высокотемпературных
электронагревательных
печей)
и
фрикционных (в авиатехнике) материалов, для изготовления
нагревателей углепластиков и др.
Лк_3_ФМ
12
ГРАФИТОПЛАСТЫ
– композиционные материалы на основе
наполнителей и полимерных связующих.
углеграфитовых
Наполнители - графиты (природный, тигельный, коллоидный) в
количестве 5 – 15% по массе, обычно в сочетании (20 – 80%) с
искусственными
углеродными
или
графитированными
материалами
(измельченными
отходами
электродного
производства), коксом, термоантрацитом, стеклянными или
углеродными волокнами, металлическими порошками (бронза,
медь) и др.
Свойства:
 высокая хим.стойкостью,
 теплостойкость,
 низкий температурный коэффициент линейного
расширения
 невысокая плотность (1,22-2,25 г/см3),
 пористость (20-30%).
Лк_3_ФМ
13
В качестве связующих используют феноло-формальдегидные,
эпоксидные, фурановые смолы, кремнийорганические полимеры,
фторопласты, полиамиды и др. Графитопласты могут содержать
также отвердители и ускорители отверждения, пластификаторы,
антиоксиданты, MoS2, BN и др. добавки.
Технология получения графитопластов:
 подготовка сырья,
 дозирование и смешение исходных компонентов,
 пропитка наполнителей связующим (вальцевание, экструзия),
 последовательное измельчение (получение пресс-порошка из
реактопластов или гранулирование термопластов).
Графитопласты перерабатывают в изделия компрессионным или
литьевым прессованием, заливкой в форму, экструзией, литьем
под давлением, прокаткой и др.
Лк_3_ФМ
14
Применение
для изготовления узлов трения сельско-хозйственной техники,
компрессоров без смазки, насосов, сепараторов
водоэмульсионных сред,
скользящих электроконтактов,
химически стойких узлов оборудования, в т.ч. теплообменников
для агрессивных сред (за исключением окислительных).
Лк_3_ФМ
15
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Наноалмазы
Фуллерены, бакиболы или букиболы
Нанотрубки
Графен
Космический Лифт
Углеродные волокна
Пористые углеродные материалы
Лк_3_ФМ
16