天然石墨电极材料的组织性能和影响因数

天然石墨电极系以天然石墨(鳞片石墨或土状石墨)粉为主要组成部分，加入骨料和粘结剂经混捏、成型和焙烧而成。主要利用天然石墨较高的导电性和抗氧化性。由于天然石墨电极中碳成分已经高度石墨化，因此制备中省去了人造石墨电极生产中的石墨化工序，因此其少，挥发成分较低，环境污染问题也大为减少。因此天然石墨电极的生产不仅能够对生产厂家和用户带来经济效益，同时也具有保护环境的社会意义。

天然石墨电极在人造石墨电极出现以前就早已应用，后来由于电炉炼钢技术要求的提高和人造石墨电极的出现而逐渐被淘汰，20世纪60年代以后已经很少生产和使用天然石墨电极。其原因主要是性能上的差距，包括强度低、抗氧化性

差、比电阻高等。如果能利用现代技术克服性能上的不足，则能够发

挥其经济效益和社会效盎的优势，在某些领域占有自己的市场。本文试图从结构分析人手，通过对比实验研究，找到天然石墨电极与人造石墨电极性能差别的原因，为提高天然石墨电极性能提供依据。

2实验程序

2．1实验样品天然石墨电极样品：取自鸡西柳毛碳素公司生产的天然石墨电极产品；

人造石墨电极样品：取自吉林碳素公司生产的人造石墨电极接头产品；

实验室天然石墨电极样品：以鸡西柳毛石墨矿鳞片石墨粉(一100目，纯度94％)、骨料和中温沥青为

原料，按鸡西柳毛碳素公司生产天然石墨电极配方进行配料，经混捏、模压成型后，在1 300℃温度下埋

粉焙烧12天即得实验室天然石墨电极样品，规格为D80 rn／n×

70mnl0

2．2组织结构测试

XRD分析：对各样品进行粉末XRD分析，以考察材料的结晶状态；SEM 观察：取各实样断口进行扫描电镜观察，以了解物相形态与分布。2．3性能测试

密度、抗压强度和比电阻由国家电碳产品检验中心测试。抗氧化性：分别进行了连续升温氧化失重实验和650℃、1 100℃等温氧化失重实验。连续升温氧化失重实验是在立式敞口电阻炉中进行，样品吊于炉中心部位，并与分析天平连接，升温速度10℃／min。等温氧化失重

实验在箱式电阻炉中进行，首先升温至预定温度，然后放人试样，保温4 h。样品规格均为D26 Tm×60 rflnl，抗氧化性能以失

重率和失重速率计算：

失重率=(实验前重量一实验后重量)／实验前重量

失重速率=失重率／氧化时间

3实验结果与讨论

3．1 XRD分析结果

由人造石墨电极和天然石墨电极材料的XRD分析图谱中的d。(】2衍射峰峰强和峰宽分析可知，人造石墨的结晶性很好，而天然石墨电极样品的xRDd002衍射峰宽而弥散，表明组织中含有大量结晶很差的碳成分(不定型碳)，这部分不定型碳来自粘结剂沥青和骨料中不定型碳成分。相对人造石墨电极材料而言，天然石墨电极材料中不定型碳的存在是未经高温石墨化过程所致。从配料中沥青量估计这部分不定型碳约占20wt％。

3．2 SEM观察结果

从人造石墨电极和天然石墨电极材料的扫描电镜照片可以看出，

人造石墨电极材料中石墨晶粒细小，各向异性倾向小，组织致密，气孔也较为细小，分布均匀，结构中不定型碳很少，并且与石墨细晶穿插交织分布，界面间隙较小。这种良好结构特征来自于人造石墨中石墨晶相由石油焦和沥青自生转化而来。而在天然石墨电极材料中，石墨晶粒基本保持为原始状态，晶粒粗大(约20／,m～100 Ftm)，并且因挤压成型导致的晶片取向明显，石墨晶粒和不定型碳分布很不均

匀，存在明显的石墨聚集区和不定型碳聚集区，在各自聚集区内均有气孔。石墨聚集区的气孔源于成型时未被填充，而不定型碳区气孔则来自于沥青炭化挥发分逸出所遗留。在石

墨和不定型碳之间界面处存在较大间隙，间隙部分来自于成型致密度低，部分来自于沥青的炭化收缩，然

而更重要的是石墨与不定型碳热膨胀系数有较大差别，并且石墨颗粒较大，是焙烧后冷却收缩不均所致。从照片上还可清楚看到，在天然石墨电极材料断口中，暴露处有许多石墨晶片，其表面光滑干净，说明大颗粒鳞片石墨的0001晶面很难被沥青润湿和铺展．这可能也是造成其团聚和存在石墨和不定形碳界面间隙的原因之一。另外，从实验室样品不同方向的SEM照片上可见，鳞片石墨具有明显的取向性。3．3天然石墨电极材料的力学·|生能

三种试样的主要性能列于表