碳及石墨材料

碳及石墨材料 无机1403班李新海201439110331 1 2 人造石墨材料 人造石墨的介绍 人造石墨顾名思义就是人工制造的石墨石墨在工业上运用极广 几乎每个行业都会用到 工业上多用的是人造石墨 人造石墨本身具有导热好 导电好 纯度高 易加工 耐腐蚀 高温下强度高 自润滑性好等优异的特点 目前被广泛的应用在半导体 太阳能 粉末冶金 真空热处理 电气电工等领域 主要用作加热元器件 承载盘 炉内组件等 2 2020 4 22 制造人造石墨的方法有很多种 常见的是 以主要原料是粉状的优质煅烧石油焦 在其中加沥青作为粘结剂 再加入少量其他辅料 各种原材料配合好以后 将其压制成形 然后在2500 3000 非氧化性气氛中处理 使之石墨化 人造石墨制备方法 3 2020 4 22 用途 人造石墨主要用途 人造石墨在工业上用途很广 用于制作冶炼上的高温坩埚 机械工业的润滑剂 制作电极和铅笔芯 广泛用于冶金工业的高级耐火材料与涂料 军事工业火工材料安定剂 轻工业的铅笔芯 电气工业的碳刷 电池工业的电极 化肥工业催化剂等 4 2020 4 22 人造石墨的工作原理 人造石墨是典型的层状结构 碳原子成层排列 每个碳与相邻的碳之间等距相连 每一层中的碳按六方环状排列 上下相邻层的碳六方环通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构 位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构 上下两层的碳原子之间距离比同一层内的碳之间的距离大得多 层内C C间距 0 142nm 层间C C间距 0 340nm 5 2020 4 22 人造石墨的形态 单晶体常呈片状或板状 但完整的很少见 集合体通常为鳞片状 块状和土状 人造石墨的成因和产状 人造石墨是在高温下形成 分布最广是石墨的变质矿床 系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成 6 2020 4 22 多孔炭材料简介 概念所谓多孔炭材料是指具有不同孔结构的碳素材料 其孔大小从具有相当于分子大小的纳米级超细微孔直到适于微生物增殖及活动的微米级细孔 优点低密度 低的热膨胀系数 高的热导率 耐腐蚀 高强度 抗氧化 易加工 7 2020 4 22 20世纪90年代以前的炭泡沫基本上是以树脂为前驱体 而到90年代出现了新一代炭泡沫 其研究方向主要集中于用沥青和煤作为前驱体替代树脂制备炭泡沫 炭泡沫的结构和性能 具有很大的开孔和棱柱 棱柱相互交联构成五边形的十二面体 其炭形态为难石墨化的玻璃态炭 因此具有低的密度 较低的机械强度和优异的绝热性能 树脂基炭泡沫 选自陈峰 张红波 熊翔 闰志巧 炭泡沫的制备 性能及应用 材料导报 2008 3 22 结构 存在大量分布均匀的球形开孔和少量的球形闭孔 孔径为200 40微米 气壁上有一定数量的微裂纹 M 和与其它气孔相交联而形成的二次孔 P2 气孔之间由石墨韧带 L 相连 石墨韧带中的石墨微晶顺着气孔壁的平行方向 沿韧带的轴向呈线性排列 中间相沥青炭泡沫 9 2020 4 22 性能 对于单个组元 由于韧带中石墨微晶呈线性排列而表现为各向异性 而对于炭泡沫整体 由于整体的均匀性而表现为各向同性 因此中间相沥青基炭泡沫的热学 电学 力学性能都呈现出微观上各向异性 宏观上各向同性的特点 经过增强处理的中间相沥青基炭泡沫的抗压强度可达30 35MPa 用作结构材料 此外 中间相沥青基炭泡沫还具有优异的耐火性 热稳定性 吸能吸波性等 10 2020 4 22 加热条件对炭泡沫结构和性能的影响 炭泡沫由中间相沥青自发泡法制得 在N2环境下加压至2 0MPa 4 0MPa 6 0MPa 当加热至软化温度后再以恒定的速度加热至最终石墨化温度 两组试样 A 在石墨化温度保温15minB 在软化温度和石墨化温度分别保温1h 选自WANGYong gang MINZhen hua CAOMin XUDe ping Effectofheatingconditionsonporestructureandper formanceofcarbonfoams NewCarbonMaterials 2009 24 4 321 326 试样的SEM显微结构图 孔径大小和分布 a b a 图表明 同样的温度条件下 随着压力增大 平均孔隙直径减小 且B组试样的孔径较A大 随着压力增大 A B之间的差异减小 因为在高压下压力是影响孔径的主导因素 b 图表明 随着压力增大 A组试样孔径变化不明显 B组孔径减小 且B组孔径分布范围广 13 2020 4 22 孔隙度和体积密度 c d 同样的温度条件下 压力升高孔隙率降低 同样的压力条件下 B的孔隙率高于A 而体积密度低于A 14 2020 4 22 热导率和比热导率 随着压力增加 热导率 比导热率均下降 B组下降更明显 在同样的压力条件下 B组比导热率较高 最高可达210W m K 可得出 较长的反应时间可制得高导热率的炭泡沫 e f 15 2020 4 22 由图 g 002峰狭窄且不对称 表明石墨结构的高度有序性 最低的层间距是0 33556nm 接近纯石墨 低于多数高性能的沥青基炭纤维 随着层间距的降低 炭泡沫的热导率明显升高 由图 h 可知 随着压力升高 层间距加大 且B组层间距低于A组 表明较长的反应时间可以制得高热导率的炭泡沫 g h 石墨泡沫的衍射图样和层间距图 16 2020 4 22 结论 较长的反应时间可以制得孔隙率高 孔隙大 低体积密度的炭泡沫 但较短的反应时间制得的炭泡沫孔隙小且均匀 在2800 C石墨化后 随着层间距的减小 导热率增加 而较长的反应时间可以制得高导热率和低层间距的石墨泡沫 17 2020 4 22 硬质炭材料 硬质碳是指难以被石墨化的碳 是高分子聚合物的热分解 将具有特殊结构的交联树脂在1000 左右热分解可得硬碳 这类碳在2500 以上的高温也难以石墨化 常见的硬碳有树脂碳 和炭黑等 18 2020 4 22 研究发现 硬碳材料均具有很高的可逆比容量 一般为500 700mAH 低或非石墨化的硬碳也是动力型锂离子电池的负极材料 硬碳结构稳定且充放电循环寿命长 且碳锂电位能够高于0 2V 安全性能更好 可以克服石墨化炭充电成锂化石墨反应活性性高 一旦发生内短会引起严重放热反变 产生爆炸的风险 硬碳还存在放电电压随容量变化大 且首次充放电效率低于石墨化碳等问题 现在对硬碳材料的改性研究是提高硬碳作为负极锂离子电池材料的重要途径之一 19 2020 4 22 一种硬碳材料的制备方法 其包括下述步骤 将高分子聚合物与交联剂进行交联和聚合反应 得交联聚合物 粉碎筛分 在惰性气体保护下 于400 600 进行预炭化处理 降温至室温 粉碎筛分 在惰性气体保护下 于1000 1600 进行炭化处理 20 2020 4 22 各品种炭黑的用途 N220适用于各种橡胶 耐磨性比N330高10 20 能赋予胶粒胶高的拉伸强度和抗撕裂强度 并有一定的导电性 主要用于载重胎 乘用胎的胎面胶 及需要高强度 高耐磨的橡胶制品 N234耐磨性比N220约高10 在高苛刻度下使用 更能显示出良好的耐磨性能 主要用于高速轮胎面胶和高质量的橡胶制品 N326在天然橡胶中具有较高的拉伸强度 抗撕裂强度 耐磨性及抗蹦裂性能 主要用于要求强度高 生热低的轮胎 包括越野胎 胎面胶 也适用于输送带 密封制品及其他高质量橡胶工业制品 N330是一种补强性能良好的炭黑 能赋予胶粒较好的强伸性能 抗撕裂性能 耐磨性和弹性 主要用于轮胎胎面 帘布胶 胎侧及各种橡胶工业制品 21 2020 4 22 N339在胎面胶料中的补强性能 耐磨性能及抗裂口增长性能近于N220炭黑 特别适用于丁苯橡胶与顺丁胶并用体系 主要用于乘用胎 卡车胎胎面胶 输送带 胶管及各种要求耐磨性高的橡胶工业制品 N375与N339性能基本相同 生热比N339稍低 主要用于轿车胎 载重胎及越野胎胎面胶 N550适用于天然橡胶和各种合成橡胶 易分散 能赋予胶料较高的挺性 压出速度快 口型膨胀小 压出表面光滑 硫化胶的高温性能及导热性能良好 补强性能 弹性和复原性亦较佳 主要用于轮胎帘布胶 胎侧 内胎及压出 压延制品胶料中 22 2020 4 22 N539使用于本品的胶料 其压出表面光滑 口型膨胀小 硫化胶的拉伸强度和伸长率较高 定伸应力较N550低 弹性和耐疲劳性能均较好 主要用于轮胎胎体胶料 尤其适用于以天