高温石墨炉用碳素材料的热辐射性能研究

高温石墨炉用碳素材料的热辐射性能研究
赵伟;蔡菲;蔡珣;曹伟伟;朱波
【摘要】以碳素材料微观结构与表面形貌为基础,研究了不同型号的碳/碳复合材料及石墨材料的光谱发射率。

研究表明,石墨微晶结构规整度与表面微观形貌是影响碳素材料光谱发射率差异的因素。

为评价碳素热辐射性能、设计高效热场提供理论指导。

%In this work,on the basis of carbon materials microstructure and morphology,the radiation properties of different type of carbon/carbon composites and graphite materials was studied.The results show that the graphite crystal structure regularity and surface morphology of carbon materials is the main factor of difference in spectral emissivity.It could provide theoretical guidance to evaluation of thermal radiation performance of carbon materials and design efficient thermal field.
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2011(042)007
【总页数】4页(P1305-1308)
【关键词】碳/碳复合材料;石墨;热辐射性能
【作者】赵伟;蔡菲;蔡珣;曹伟伟;朱波
【作者单位】山东大学材料科学与工程学院,碳纤维工程技术研究中心,材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,山东济南250061;山东建筑大学土木工程学院,山东济南250101;山东大学计算机科学与技术学院,山东济南250101;天津工业大学
材料科学与工程学院,天津300160;山东大学材料科学与工程学院,碳纤维工程技术研究中心,材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,山东济南250061
【正文语种】中文
【中图分类】TQ327.3
高温石墨炉是单晶硅及碳素材料，尤其是碳纤维加工制备的重要设备，也是各种材料高温处理的重要装备［1］。

高温石墨炉的热场部件主要是由碳素材料组成，其中包括碳素材料电极、碳素材料保温隔热层以及碳素材料样品容器等［2］。

在高温热环境下，石墨炉内主要靠热辐射传热的方式进行能量交换［3］，炉内的碳素材料部件本身的热辐射特性优劣直接决定了能量转换效率的高低，因此研究石墨炉内碳素石墨材料自身的热辐射性能，对于优质石墨炉制备具有重要意义。

高温石墨炉的主要碳素材料部件如图1所示，选用几种进口高温炉专用的碳／碳复合材料和石墨材料作为研究对象，具体的类型及编号如表1所示。

采用国家红外检测中心的OL-750自动分光辐射测量系统，测试碳／碳复合材料及石墨样品的法向光谱发射率，测试波段为2500～25000nm，测试温度为130℃，测试分辨率为10-4。

采用法国Jobinyvon公司制造的LabRam-1B型显微激光拉曼光谱仪（LRS）和日本的Rigaku D／max-RC型X射线衍射仪对碳素材料的石墨结构进行分析。

利用JEOL JSM-7600F扫描电子显微镜观察碳素材料表面形貌。

高温石墨炉的使用环境一般在2000℃以上［4］，高温环境下热辐射为主要传热方式，而光谱发射率是衡量热辐射能力强弱的重要指标［5］。

图2为几种典型碳素材料的光谱发射率曲线，其中图2（a）为3种碳／碳复合材料的光谱发射率，从图2（a）中可以看出AC100在整个测试波段内的光谱发射率均高于其它两种碳／碳复合材料，并且随波长变化的幅度较小；28NF样品在测试波段内的光谱发
射率随波长的变化幅度较大，发射率的波长依赖性强。

图2（b）为3种不同型号石墨材料的光谱发射率对比，从图2（b）中可以看出相比于碳／碳复合材料，石墨材料的光谱发射率在数值和波长依赖性上的差别相对较小，这可能由于石墨材料本身没有碳纤维增强体的参与，纤维排布对整体的影响因素可以不考虑在内。

总体来看，碳／碳复合材料AC100和石墨材料G330在一定波长下的光谱发射率数值较高，而且相对于同组样品来讲，光谱发射率随波长的变化幅度相对较小，由此可知这2种碳素材料在高温状态下的热辐射性能相对稳定一些，作为高温热辐射加热材料来说较为合适。

从20世纪70年代以来，Tuinstra和Koening等研究碳材料的激光拉曼光谱，由此至今拉曼光谱在分析石墨等碳质材料的结构方面得到了广泛关注［6］。

碳材料拉曼光谱一级序区的频率范围为1100～1800cm-1，其中拉曼光谱活性晶格振动模式E2g表征了碳原子在二维层面内的振动，完整性很好的石墨单晶只存在这样一种振动模式，对应于1580cm-1处存在的特征谱线（G峰）。

而对于某些结构缺陷（位错、空穴）的拉曼活性，对应于1360cm-1附近的谱线（D峰）［7］。

图3为以上几种碳素材料的拉曼光谱对比，其中图3（a）为不同碳／碳复合材料的拉曼光谱，图3（b）为3种典型石墨材料的拉曼图谱。

从图3中可以看出
AC100和G330两种碳素材料样品的D峰强度均相对较高，而AC100和G330样品的G峰强度与同组样品相比差别均不是很大。

这说明碳／碳复合材料样品AC100和石墨材料样品G330中的石墨微晶结构相对于同组同类型材料的规整性不高，缺陷结构的存在几率较大，由于缺陷结构的存在而引起的各种局域振动模式在辐射传热中共同起作用，根据文献，这种特殊的石墨微晶结构使得碳素材料在5000～13000nm波段内形成相对较强的连续光谱辐射带［8］。

图4 为不同碳素材料的XRD图谱对比。

对比几种材料的XRD峰强度可以明显看出，28NF和G347在整个扫描范围内具有较高的衍射强度，这说明两种样品的石
墨结构较为规整，微观结构的结晶程度较高，随着杂质或缺陷的减少，结构规整性提高，无定型碳或四面体构型等畸变结构的相对比例较低，乱层石墨微晶尺寸增大，碳层面内C—C键晶格振动的基本振动模式增强，畸变晶格结构的振动模式以及由杂质或缺陷引起的局域振动模式减少，晶格振动辐射机制与载流子辐射机制共同作用［9］，这使样品的光谱发射率在测试波段内呈现出随波长增加而降低的趋势，表现出明显的波长依赖性。

而AC100和G330两种样品的XRD衍射峰强度相对较低，石墨结构的紊乱程度
较高，乱层石墨结构的存在引起了局域振动模式的增强，同Raman光谱的测试规律基本一致。

图5是不同碳素材料的SEM图谱对比。

根据波动学理论表明［10］，表面微结构的不同引起了电磁波吸收、散射等性质改变，进而使材料的热辐射性能受到影响。

从图5中可以看出对于3种碳／碳复合材料来说，AC100表面的纤维排布特征较为突出，而且单丝纤维间的沟槽空隙明显，表面粗糙程度较大；而AC200的沟壑特征相对差一些，对于28NF样品来说，基体材质已经将增强纤维掩盖，除了尺
寸较大的少量空隙之外，表面覆盖了一层光滑平整的基体，表面粗糙度明显较低。

碳／碳复合材料表面粗糙度的明显差别，造成了光谱发射率的差别，尤其对28NF 来说镜面反射作用明显增强，因此其光谱发射率数值较低（图2所示）。

而对于3种石墨材料来说，G347样品的表面颗粒度相对低一些，空洞特征相对较弱，总的来说3种石墨材料的表面粗糙程度差别不明显，因此由表面状态引起的
发射率变化影响相对较弱，这也是光谱发射率差别不明显的主要原因。

（1）分别测试了6种不同牌号C／C复合材料和石墨材料的光谱发射率，其中，碳／碳复合材料AC100和石墨材料G330在一定波长下的光谱发射率相对较高，而且光谱发射率随波长的变化幅度较小，发射率相对稳定，适合作为高温热辐射加热材料使用。

（2）利用Raman光谱和XRD系统分析了6种不同牌号C／C复合材料和石墨
材料的微观石墨结构，其中碳／碳复合材料样品AC100和石墨材料样品G330中的石墨微晶结构相对于同类型材料的规整性不高，缺陷结构的存在几率较大，紊乱结构引起的局域振动模式使碳素材料在5000～13000nm波段内形成较强的光谱
辐射带。

（3）利用SEM测试分析了表面粗糙度对碳素材料光谱发射率的影响，其中碳／
碳复合材料AC100表面的粗糙程度较大，粗糙表面引起的电磁波吸收、散射较强，发射率相对较强；而石墨材料的表面粗糙程度差别不明显，因此由表面状态引起的发射率变化影响相对较弱。

【相关文献】
［1］贺福.碳纤维及其应用技术［M］.北京：化学工业出版社，2004.
［2］李东风，王浩静，朱星明，等.［J］.化工进展，2004，23（2）：168-172.
［3］ Brandt R.［J］.High Temperature High Pressures，2003／2004，（35／36）：169-177.
［4］刘咏梅，李铁忠，刘晓宁，等.［J］.非织造布，2009，17（2）：46-48.
［5］ Neuer G.［J］.High Temperature High Pressures，1995，27（2）：183-189.
［6］ Angoni K.［J］.Carbon，1993，31（4）：537-547.
［7］ Nakamizo M，Kammereck R，Walker P L.［J］.Carbon，1974，12（2）：259-267. ［8］ Fitzer E.［J］.High Temperature High Pressures，1988，20：449-454.
［9］欧阳德刚，胡铁山，罗安智，等.［J］.钢铁研究，2002，30（1）：40-43.
［10］方容川.固体光谱学［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2001.。