炭材料科学第三讲(性质).答案
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2.1抗热震性（热稳定性）
材料在高温下使用并且经受温度剧变而不破坏的 性能，又称耐急冷急热性和热稳定性。 （1）温度急变导致材料破坏的原因 热传导的滞后性，表面和内部产生温度梯度 （2）炭材料具有优良抗热震性能的原因 A、热导率λ值大和线膨胀系数αl值小； B、模量E值小，缓解热应力的效果好； C、提高材料的抗拉或抗切强度有利于改善抗热 震性。
炭纤维的分类
按照原料分类：
粘胶基（纤维素基或人造丝基）； 聚丙烯腈基（PAN）； 沥青基（各向同性和各向异性） 按照制备条件和方法分类： 炭纤维（800-1600 ℃ ）； 石墨纤维（2000-3000 ℃ ）； 气相生长炭纤维； 活性炭纤维等
按照力学性能分类
通用级（GP）； 高性能（HP）： 中强型（MT）； 高强型（HT）； 超高强型（UHT）； 中模型（IM）； 高模型（HM）； 超高模型（UHM）
B、易石墨化炭材料的线膨胀系数随石墨化 度提高而减小，难石墨化炭材料则相反 C、炭材料的线膨胀系数具有各向异性 a方向：<400℃，变化很小，常温达到极 小，随后增大，800℃ 1x10-6/K c方向:为正值，（25-30）10-6/K
2.4 比热大
Hale Waihona Puke Baidu
热容是分子热运动的能量随温度而变化的一个 物理量，是物体温度升高1K所需要增加的能量。 不同温度下物体的热容不一定相同，所以在温 度T时物体的热容为：
（4）热导率与石墨化度的关系
热导率随石墨化度提高而增大，石墨化前仅为石墨 化后热导率的1/20到1/30
（5）热导率与宏观组织的关系
随体积密度的增大而增大，随气孔率增大而减小 1- λ /λ0=KP
式中， λ—被测物质的热导率，w/m.k
λ0—真密度为2.26g/cm3的石墨的热导率，w/m.k P—被测材料的气孔率，% K—修正系数，一般K=2.3
测量方向
垂直于晶粒方向 83.7 （C 方向）
52 平行于晶粒方向 272 （A 方向） 240 400
228 384 410
（1）石墨的热传导特点
具有明显各向异性，其值与材料的石墨化度及 测量温度等密切相关，石墨热导率是由其基本 结构决定的固有特征。
影响因素： 1）原料的基本性质； 2）制造的工艺过程； 3）热处理温度； 4）表观密度，孔隙分布等。
PAN-CF的性能
Diameter (mm，6K) 70 50 50 65 50 50 50 70 70 65 50 65 70 70 70 67 75 55 55 70 Density (g/cm3) 1.76 1.81 1.82 1.81 1.77 1.84 1.91 1.77 1.77 1.75 1.76 1.90 1.79 1.81 1.78 1.88 1.80 1.83 1.79 1.84 TS (GPa) 3.53 5.59 7.06 2.77 4.40 4.20 2.45 3.63 4.32 4.12 4.80 2.15 3.53 4.90 3.43 2.94 3.10 4.14 5.42 2.76 YM (GPa) 235 295 295 390 380 440 490 235 235 295 300 400 235 245 295 440 230 240 275 380 UE (%) 1.5 1.9 2.4 0.6 1.2 1.0 0.5 1.4 1.7 1.8 1.6 0.5 1.5 2.0 1.7 0.7 1.3 1.7 1.85 0.7
CF制备的工艺流程
2) 炭纤维的力学性能
Designation Toraca (Toray 日东丽) Type Grade C C C G G G G C C C C G C C C G C C C G T300 T800H T1000 M40 M40J M46J M50 Besfight HTA (ToHo Rayon 日 ST3 IM400 东邦人造丝) IM500 HM45 Pyrofil T-1 (MitsubishiRay T-2 on 日三菱人造 M-1 丝) HM-4 Magnamite AS-1 (Sumika AS-6 Hercules 美) IM-7 HMU
3.2 抗磁性和磁化率
炭材料属于抗磁物质，磁化率为负值。 （1）抗磁性磁化率的各向异性和平均抗磁 性磁化率 单晶石墨的抗磁性磁化率
χ⊥=-21.5x10-6emu/g χ∥=-0.5x10-6emu/g
(2)抗磁性磁化率与石墨化度的关系
-10
-8
Xm (x10 emu/g)
-6
-6
-4
-2
0
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
（3）、抗热震性指标与耐冲击参数
P R l E C db
1/ 2
P R' l E
J/m· s
式中，R—抗热震性指标 R ’—耐热冲击参数 P—抗拉强度 αl—线膨胀系数 E—模量 λ—热导率 C—热容 db—体积密度
一些材料的耐冲击参数
过渡金属与碳的反应分三类：
1）ⅠB、ⅡB（以Cu,Zn为代表，d10），不与碳反应； 2）ⅧB族（ Fe,Co，Ni为代表，d层6-10电子），催化 熔解碳，形成固溶体；
金属 Fe Ni
熔点℃ 1535 1455
沸点℃ 2750 2731
碳的溶解度 /% >4.3 >2.2
Co
Pt
1495
材料 石 墨 R'/ 陶瓷 碳 化 重晶石 钛 2.72 氧化铍 氧化镁 氧化锆
2.4x 2.01x 1.44x 5.07x10 5.06x10 5-15 102
10-3J/m.s 104 102
2.2 导热性
常温下石墨的热导率与金属的对比
石墨λ （w/m.k） 金属λ （w/m.k） 硫铜 铝 铜 银 天然 人造 1.39 热解 8.4
Temp (? )
四、炭材料的力学性能
基本结构特征：1）多晶多层结构；2）宏观组织 特征是含有气孔。因此，炭材料的力学性能受到 气孔率、孔径分布、组织缺陷、晶粒大小、石墨 化度等因素的影响。
4.1 机械强度
1）特点 a.各向异性； b.块体材料低温强度差，但随温度升高，机械 强度提高。 室温 20MPa, 2500℃ 40MPa, 2800℃ 失去强度
第二讲 炭材料的特性
一、炭材料的化学性质
非氧化介质中为化学惰性，只与强酸、强氧化剂反应， 耐腐蚀性好。
1.1 气化反应和氧化反应
a.无定形炭350℃ ，石墨450℃与氧反应 C + O2 → CO2 ΔH=-94.03 Kcal/克分子
b.C + H2O → CO + H2 ≥700 ℃
ΔH=31.14 Kcal/克分子
Al 23.6x10-6/K Cu 17x10-6/K 石墨 （1-2）x10-6/K 石墨材料的αl随温度升高的增量 Δαl
温度 t (℃) Δαl (10-7/K) 200 2.0 300 400 500 600 4.0 6.0 7.7 9.2 700 10.4 800 11.4 900 12.3 1000 1500 2000 2500 13.2 17.2 21.2 25.2
2 .3 热膨胀系数 （线膨胀系数αl ）
物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称 为热膨胀。l称为线膨胀系数。
l l t l0
lt l0 l l0 (1 l t )
V v t V0
Vt V0 (1 v t )
（1）炭材料的热膨胀的特点 A、 αl比金属材料小得多；
YM (GPa) 33 32 33 30 380 520 724 827 897 966 1000 1150
UE (%) 2.4 2.2 2.1 2.1 0.5 0.4 0.31 0.27 0.23 0.22
UE: ultimate elongation
粘胶基CF的制备
纤维素
NaOH
碱性纤维素
CS2
沥青基CF的性能
Designati on Kureha Chemicals Brochure
（日吴羽）
Type T101F T101S T201F T201S P-55S P-75S P-100 P-120 P-130 P-140
Grade C C G G G G G G G G
Amoco （美）
Diameter (m) 12.5 14.5 12.5 14.5 10 10 10 10 10 10
Graphite Crystal
Single
Diamond
Density (g/cm3) 1.65 1.65 1.57 1.57 2.1 2.1 2.15 2.18 ----2.26 3.52
TS (GPa) 0.790 0.720 0.690 0.590 1.90 2.10 2.20 2.20 2.10 2.10 21
（2）石墨的导热机理
固体材料内导热有两种：自由电子流动和晶格
原子热振动
德拜理论（声子热传导理论）：
λ=ACLυ 其中λ热导率 A—几何因子（对各向同性晶体A=1/3） C—比热容（单位体积的热容） L—声子（晶格波）自由程平均长度 υ—声子的传播速度
（3）石墨导热的各向异性
υa=1.23x104ms-1 υc=3.9x103ms-1
纤维素磺酸钠盐
一些无机材料的弹性模量
材料 密实 SiC(气孔率 5%) 氧化铝晶体 烧结氧化铝（气孔率 5%） 热压 B4C（气孔率 5%） 烧结 MgO(气孔率 5%) 镁制耐火砖 烧结 ZrO2(气孔率 5%) 热压 BN（气孔率 5%） SiO2 玻璃 石墨（气孔率 20%） 弹性模量（E、GPa） 470 380 366 290 210 170 150 83 72 9
1772
2870
3827±100
>2.9
>1.45
3）ⅣB-ⅦB族（Ti,Cr,Mn为代表，d层2-5电子），与 碳共价形成碳化物。
与氧化物的还原反应
氧化物 B2O3 SiO2 MgO V2O5 Al2O3 BeO 还原温度（℃） 1200 1250 1350 650 1280 960 反应产物 B + CO Si + CO Mg +CO V +CO Al4C3 Be2C
电阻率ρ （Ω .mm2/m） 天然鳞片石墨 热解石墨 A 轴方向 0.99-1 0.6 异向比 （ρ c/ρ a）
C 轴方向 104 104 5x103
0.8x104
Grapheen CNTs
●
B、石墨化程度高则电阻率小 C、电阻温度系数
不同炭材料的电阻率和电阻温度系数不同， 有的随温度升高而减小，有的则增大。 在一定温度下的导电性是在此温度下材料 内自由电子热激发和晶格点阵热振动的综 合反映。
Q Ct T T
1mol物质的热容称为比热容（J/mol.K） 室温8.36J/molk, 2000K 25.08J/molK 3500K, 31.27J/molK
三、炭材料的电磁性质
3.1 导电性和电阻率 （1）导电的特点 A、电阻率具有明显的各向异性；
CO + H2O → CO2 + H2 ΔH=-9.65 Kcal/克分子 c.C + 2H2 → CH4 ΔH=-17.87 Kcal/克分子 ≥1000℃ d. C + 2F2 → CF4 常温反应 自燃
1.2 与液态酸、盐的反应
1.3 固-固反应
形成碳化物的反应
元素 Al B Be Co Fe Li Mg Ni 反应温度（℃） 800 1600 900 218 1550 500 1100 1310 反应产物 Al4C3 1400℃反应剧烈 B4C （通常生成温度 2400℃） Be2C (在真空或氦气中) Co3C(亚稳定) Fe3C LiC2 接近镁的熔点时无反应 没有稳定的碳化物生成 Co2C(不稳定)
1.4 降低化学反应的途径
*
降低开口气孔率，阻止气体向炭表面的 扩散； * 提高炭的晶体度，降低反应可能发生的 活性点； * 驱除可起催化作用的异物； * 表面引入原子或基团降低炭的反应性 （又叫负催化剂，磷、卤素、硼等）； * 表面涂以玻璃层，形成气体向炭扩散的 阻挡层。
二、 炭材料的热性能
材料在高温下使用并且经受温度剧变而不破坏的 性能，又称耐急冷急热性和热稳定性。 （1）温度急变导致材料破坏的原因 热传导的滞后性，表面和内部产生温度梯度 （2）炭材料具有优良抗热震性能的原因 A、热导率λ值大和线膨胀系数αl值小； B、模量E值小，缓解热应力的效果好； C、提高材料的抗拉或抗切强度有利于改善抗热 震性。
炭纤维的分类
按照原料分类：
粘胶基（纤维素基或人造丝基）； 聚丙烯腈基（PAN）； 沥青基（各向同性和各向异性） 按照制备条件和方法分类： 炭纤维（800-1600 ℃ ）； 石墨纤维（2000-3000 ℃ ）； 气相生长炭纤维； 活性炭纤维等
按照力学性能分类
通用级（GP）； 高性能（HP）： 中强型（MT）； 高强型（HT）； 超高强型（UHT）； 中模型（IM）； 高模型（HM）； 超高模型（UHM）
B、易石墨化炭材料的线膨胀系数随石墨化 度提高而减小，难石墨化炭材料则相反 C、炭材料的线膨胀系数具有各向异性 a方向：<400℃，变化很小，常温达到极 小，随后增大，800℃ 1x10-6/K c方向:为正值，（25-30）10-6/K
2.4 比热大
Hale Waihona Puke Baidu
热容是分子热运动的能量随温度而变化的一个 物理量，是物体温度升高1K所需要增加的能量。 不同温度下物体的热容不一定相同，所以在温 度T时物体的热容为：
（4）热导率与石墨化度的关系
热导率随石墨化度提高而增大，石墨化前仅为石墨 化后热导率的1/20到1/30
（5）热导率与宏观组织的关系
随体积密度的增大而增大，随气孔率增大而减小 1- λ /λ0=KP
式中， λ—被测物质的热导率，w/m.k
λ0—真密度为2.26g/cm3的石墨的热导率，w/m.k P—被测材料的气孔率，% K—修正系数，一般K=2.3
测量方向
垂直于晶粒方向 83.7 （C 方向）
52 平行于晶粒方向 272 （A 方向） 240 400
228 384 410
（1）石墨的热传导特点
具有明显各向异性，其值与材料的石墨化度及 测量温度等密切相关，石墨热导率是由其基本 结构决定的固有特征。
影响因素： 1）原料的基本性质； 2）制造的工艺过程； 3）热处理温度； 4）表观密度，孔隙分布等。
PAN-CF的性能
Diameter (mm，6K) 70 50 50 65 50 50 50 70 70 65 50 65 70 70 70 67 75 55 55 70 Density (g/cm3) 1.76 1.81 1.82 1.81 1.77 1.84 1.91 1.77 1.77 1.75 1.76 1.90 1.79 1.81 1.78 1.88 1.80 1.83 1.79 1.84 TS (GPa) 3.53 5.59 7.06 2.77 4.40 4.20 2.45 3.63 4.32 4.12 4.80 2.15 3.53 4.90 3.43 2.94 3.10 4.14 5.42 2.76 YM (GPa) 235 295 295 390 380 440 490 235 235 295 300 400 235 245 295 440 230 240 275 380 UE (%) 1.5 1.9 2.4 0.6 1.2 1.0 0.5 1.4 1.7 1.8 1.6 0.5 1.5 2.0 1.7 0.7 1.3 1.7 1.85 0.7
CF制备的工艺流程
2) 炭纤维的力学性能
Designation Toraca (Toray 日东丽) Type Grade C C C G G G G C C C C G C C C G C C C G T300 T800H T1000 M40 M40J M46J M50 Besfight HTA (ToHo Rayon 日 ST3 IM400 东邦人造丝) IM500 HM45 Pyrofil T-1 (MitsubishiRay T-2 on 日三菱人造 M-1 丝) HM-4 Magnamite AS-1 (Sumika AS-6 Hercules 美) IM-7 HMU
3.2 抗磁性和磁化率
炭材料属于抗磁物质，磁化率为负值。 （1）抗磁性磁化率的各向异性和平均抗磁 性磁化率 单晶石墨的抗磁性磁化率
χ⊥=-21.5x10-6emu/g χ∥=-0.5x10-6emu/g
(2)抗磁性磁化率与石墨化度的关系
-10
-8
Xm (x10 emu/g)
-6
-6
-4
-2
0
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
（3）、抗热震性指标与耐冲击参数
P R l E C db
1/ 2
P R' l E
J/m· s
式中，R—抗热震性指标 R ’—耐热冲击参数 P—抗拉强度 αl—线膨胀系数 E—模量 λ—热导率 C—热容 db—体积密度
一些材料的耐冲击参数
过渡金属与碳的反应分三类：
1）ⅠB、ⅡB（以Cu,Zn为代表，d10），不与碳反应； 2）ⅧB族（ Fe,Co，Ni为代表，d层6-10电子），催化 熔解碳，形成固溶体；
金属 Fe Ni
熔点℃ 1535 1455
沸点℃ 2750 2731
碳的溶解度 /% >4.3 >2.2
Co
Pt
1495
材料 石 墨 R'/ 陶瓷 碳 化 重晶石 钛 2.72 氧化铍 氧化镁 氧化锆
2.4x 2.01x 1.44x 5.07x10 5.06x10 5-15 102
10-3J/m.s 104 102
2.2 导热性
常温下石墨的热导率与金属的对比
石墨λ （w/m.k） 金属λ （w/m.k） 硫铜 铝 铜 银 天然 人造 1.39 热解 8.4
Temp (? )
四、炭材料的力学性能
基本结构特征：1）多晶多层结构；2）宏观组织 特征是含有气孔。因此，炭材料的力学性能受到 气孔率、孔径分布、组织缺陷、晶粒大小、石墨 化度等因素的影响。
4.1 机械强度
1）特点 a.各向异性； b.块体材料低温强度差，但随温度升高，机械 强度提高。 室温 20MPa, 2500℃ 40MPa, 2800℃ 失去强度
第二讲 炭材料的特性
一、炭材料的化学性质
非氧化介质中为化学惰性，只与强酸、强氧化剂反应， 耐腐蚀性好。
1.1 气化反应和氧化反应
a.无定形炭350℃ ，石墨450℃与氧反应 C + O2 → CO2 ΔH=-94.03 Kcal/克分子
b.C + H2O → CO + H2 ≥700 ℃
ΔH=31.14 Kcal/克分子
Al 23.6x10-6/K Cu 17x10-6/K 石墨 （1-2）x10-6/K 石墨材料的αl随温度升高的增量 Δαl
温度 t (℃) Δαl (10-7/K) 200 2.0 300 400 500 600 4.0 6.0 7.7 9.2 700 10.4 800 11.4 900 12.3 1000 1500 2000 2500 13.2 17.2 21.2 25.2
2 .3 热膨胀系数 （线膨胀系数αl ）
物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称 为热膨胀。l称为线膨胀系数。
l l t l0
lt l0 l l0 (1 l t )
V v t V0
Vt V0 (1 v t )
（1）炭材料的热膨胀的特点 A、 αl比金属材料小得多；
YM (GPa) 33 32 33 30 380 520 724 827 897 966 1000 1150
UE (%) 2.4 2.2 2.1 2.1 0.5 0.4 0.31 0.27 0.23 0.22
UE: ultimate elongation
粘胶基CF的制备
纤维素
NaOH
碱性纤维素
CS2
沥青基CF的性能
Designati on Kureha Chemicals Brochure
（日吴羽）
Type T101F T101S T201F T201S P-55S P-75S P-100 P-120 P-130 P-140
Grade C C G G G G G G G G
Amoco （美）
Diameter (m) 12.5 14.5 12.5 14.5 10 10 10 10 10 10
Graphite Crystal
Single
Diamond
Density (g/cm3) 1.65 1.65 1.57 1.57 2.1 2.1 2.15 2.18 ----2.26 3.52
TS (GPa) 0.790 0.720 0.690 0.590 1.90 2.10 2.20 2.20 2.10 2.10 21
（2）石墨的导热机理
固体材料内导热有两种：自由电子流动和晶格
原子热振动
德拜理论（声子热传导理论）：
λ=ACLυ 其中λ热导率 A—几何因子（对各向同性晶体A=1/3） C—比热容（单位体积的热容） L—声子（晶格波）自由程平均长度 υ—声子的传播速度
（3）石墨导热的各向异性
υa=1.23x104ms-1 υc=3.9x103ms-1
纤维素磺酸钠盐
一些无机材料的弹性模量
材料 密实 SiC(气孔率 5%) 氧化铝晶体 烧结氧化铝（气孔率 5%） 热压 B4C（气孔率 5%） 烧结 MgO(气孔率 5%) 镁制耐火砖 烧结 ZrO2(气孔率 5%) 热压 BN（气孔率 5%） SiO2 玻璃 石墨（气孔率 20%） 弹性模量（E、GPa） 470 380 366 290 210 170 150 83 72 9
1772
2870
3827±100
>2.9
>1.45
3）ⅣB-ⅦB族（Ti,Cr,Mn为代表，d层2-5电子），与 碳共价形成碳化物。
与氧化物的还原反应
氧化物 B2O3 SiO2 MgO V2O5 Al2O3 BeO 还原温度（℃） 1200 1250 1350 650 1280 960 反应产物 B + CO Si + CO Mg +CO V +CO Al4C3 Be2C
电阻率ρ （Ω .mm2/m） 天然鳞片石墨 热解石墨 A 轴方向 0.99-1 0.6 异向比 （ρ c/ρ a）
C 轴方向 104 104 5x103
0.8x104
Grapheen CNTs
●
B、石墨化程度高则电阻率小 C、电阻温度系数
不同炭材料的电阻率和电阻温度系数不同， 有的随温度升高而减小，有的则增大。 在一定温度下的导电性是在此温度下材料 内自由电子热激发和晶格点阵热振动的综 合反映。
Q Ct T T
1mol物质的热容称为比热容（J/mol.K） 室温8.36J/molk, 2000K 25.08J/molK 3500K, 31.27J/molK
三、炭材料的电磁性质
3.1 导电性和电阻率 （1）导电的特点 A、电阻率具有明显的各向异性；
CO + H2O → CO2 + H2 ΔH=-9.65 Kcal/克分子 c.C + 2H2 → CH4 ΔH=-17.87 Kcal/克分子 ≥1000℃ d. C + 2F2 → CF4 常温反应 自燃
1.2 与液态酸、盐的反应
1.3 固-固反应
形成碳化物的反应
元素 Al B Be Co Fe Li Mg Ni 反应温度（℃） 800 1600 900 218 1550 500 1100 1310 反应产物 Al4C3 1400℃反应剧烈 B4C （通常生成温度 2400℃） Be2C (在真空或氦气中) Co3C(亚稳定) Fe3C LiC2 接近镁的熔点时无反应 没有稳定的碳化物生成 Co2C(不稳定)
1.4 降低化学反应的途径
*
降低开口气孔率，阻止气体向炭表面的 扩散； * 提高炭的晶体度，降低反应可能发生的 活性点； * 驱除可起催化作用的异物； * 表面引入原子或基团降低炭的反应性 （又叫负催化剂，磷、卤素、硼等）； * 表面涂以玻璃层，形成气体向炭扩散的 阻挡层。
二、 炭材料的热性能