Графитовые материалы

Графит— неорганический полимерный материал, кристалли­ческая решетка которого образована параллельными слоями гекса­гональных сеток. Между атомами углерода внутри этих сеток дейст­вует ковалентная связь, а между слоями — Ван-дер-ваальсовое взаи­модействие. Графит имеет слоистую структуру.

Графиты по происхождению разделяют на природные и искусст­венные. Источником природных графитов являются минералы.

Природный графит — минерал, наиболее распространенная и устойчивая в земной коре гексагональная полиморфная модификация углерода метаморфического, магматического происхождения. Он представляет собой темно-серые до черных чешуйчатые агрегаты, конкреции, сплошные массы. Структура слоистая. Твердость по Моосу1...2, плотность около 2200 кг/м³. Огнеупорен, электропроводен, химически стоек. Качество природных графитов невысокое; он со­держит много примесей, порист, свойства почти изотропны. Поэтому его применяют лишь как антифрикционный материал и в электротехнике. Используется также природный графит в металлургии (плавиль­ные тигли, литейные формы, противопригарные краски), в химическом машиностроении (футеровочный материал, трубы и др.), при изготовлении электродов, щелочных аккумуляторов, карандашей и др.

Характерные свойства природного графита:

- теоретическая плотность — 2265 кг/м³;

- температура сублимации — 3700 °С. Графит сублимирует, 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;

- анизотропия — 3:1... 100:1;

- высокая теплопроводность;

- коэффициент линейного расширения низкий и с повышением температуры растет незначительно;

- высокая жаропрочность и устойчивость к тепловым ударам;

- твердость по шкале Мооса:

по оси симметрии 6—1;

перпендикулярно оси симметрии 6—5,5;

- легко обрабатывается;

- хрупкий;

- хорошие антифрикционные свойства;

- высокая электропроводность;

- степень черноты — 0,7...0,9;

- склонность к окислению, начиная с температур 400...800 °С, с выделением газообразных продуктов.

Графит, предназначенный для изготовления активных масс щелочных аккумуляторов и масс для графитизированных антифрик­ционных изделий из цветных металлов, выпускается следующих марок:

ГАК-1 — для аккумуляторных изделий специального назначения;

ГАК-2, ГАК-3 — для изготовления активных масс щелочных аккумуляторов и масс графитизированных антифрикционных изде­лий из цветных металлов.

Искусственные графиты по виду исходного сырья делят на технические (ПРОГ, ПГ-50) и пиролитические (пирографиты). Для получениятехнических графитов используется твердое сырье, например, нефтяной кокс с каменноугольным пеком в качестве связующего. Пирографиты получают из газообразного сырья (например, метана др.).

Искусственные графиты обладают совершенным кристаллическим строением, высокой анизотропией свойств (коэффициенты теплопроводности пирографита вдоль и поперек слоев соответственно 372 Вт/(м^.К) и 1,16...3,5 Вт/(м^.К)) и являются высокотемпературным конструкционным материалом.

Для искусственных графитов характерно увеличение прoчности и модуля упругости при нагреве. До температуры 2200...2400 ^оС прочность технического графита повышается на 40...60% и лишь при дальнейшем нагреве начинает снижаться. При температуре выше 1700 °С появляется ползучесть. Удельная прочность искусственного графита при нагреве сохраняется высокой.

Среди способов воздействия на свойства графитов можно выделить три основные группы:

- легирование (Nb, Та, Si) с целью создания мелкозернистой структуры с высокой твердостью и прочностью материала;

- химико-термическая обработка — силицирование;

- покрытие керамикой.

Графит применяют в эксплуатируемых при высоких темпера­турах конструкциях летательных аппаратов и двигателей, в энергети­ческих ядерных реакторах в качестве антифрикционного материала и в виде углеграфитовых изделий. Графит может применяться и как проводник тепла, и как теплоизолятор.