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碳素材料的應用及發展趨勢

碳素是以高純度優質無煙煤,經過深加工改變煤的一些性質得出的,原子C,炭素制品按產品用途分為石墨電極類、炭塊類、石墨陽極類、炭電極類、糊類、電炭類等等。俗稱炭磚或電爐塊,主要用于冶金行業:有色金屬和無色金屬的冶煉以及電石、磷化工企業!炭塊按用途可分為高爐炭塊、鋁用炭塊、電爐塊等。炭素制品按加工深度高低可分為炭制品、石墨制品、炭纖維和石墨纖維等炭素制品按原料和生產工藝不同,可分為石墨制品、炭制品、炭素纖維、特種石墨制品等。炭素制品按其所含灰分大小,又可分為多灰制品和少灰制品(含灰分低于l%)。炭素新材料是指用于高技術領域的碳和石墨材料,主要用于航空、航天、核能、風能、硬質材料制造、電子、醫療、建筑、環保等行業。因此21世紀被稱為"碳世紀"。目前已經形成規模應用的炭素新材料主要有各種特種石墨、碳纖維、碳復合材料等。1導電材料用電弧爐或礦熱電爐冶煉各種合金鋼、鐵合金或生產電石(碳化鈣)、黃磷時,強大的電流通過炭電極(或連續自焙電極-即電極糊)或石墨化電極導入電爐的熔煉區產生電弧,使電能轉化成熱能,溫度升高到2000℃左右,從而達到冶煉或反應的要求。金屬鎂、鋁、鈉一般用熔鹽電解制取,這時電解槽的陽極導電材料都是采用石墨化電極或連續自焙電極(陽極糊、有時用預焙陽極)。熔鹽電解的溫度一般在1000℃以下。生產燒堿(氫氧化鈉)和氯氣的食鹽溶液電解槽的陽極導電材料,一般都用石墨化陽極。生產金剛砂(碳化硅)使用的電阻爐的爐頭導電材料,也使用石墨化電極。除上述用途外,炭和石墨制品作為導電材料廣泛用于電機制造工業作為滑環和電刷,以及用作干電池中的炭棒或產生弧光用的弧光炭棒,水銀整流器中的陽極等。2耐火材料由于炭素制品能耐高溫和有較好的高溫強度及耐腐蝕性,所以很多冶金爐內襯可用炭塊砌筑,如高爐的爐底、爐缸和爐腹,鐵合金爐和電石爐的內襯,鋁電解槽的底部及側部。許多貴重金屬和稀有金屬冶煉用的坩堝、熔化石英玻璃等所用的石墨坩堝,也都是用石墨化坯料加工制成的。3耐腐蝕的結構材料經過有機樹脂或無機樹脂浸漬過的石墨材料,具有耐腐蝕性好、導熱性好、滲透率低等特點,這種浸漬石墨又稱為不透性石墨。它大量應用于制作各種熱交換器、反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵等設備,廣泛應用于石油煉制、石油化工、濕法冶金、酸堿生產、合成纖維,造紙等工業部門,可節省大量的不銹鋼等金屬材料。4耐磨和潤滑材料炭素材料除具有化學穩定性高的特性外,還有較好的潤滑性能。在高速、高溫、高壓的條件下,用潤滑油來改善滑動部件的耐磨性往往是不可能的。石墨耐磨材料可以在-200℃到2000℃溫度下的腐蝕性介質中并在很高的滑動速度下(可達100m/s)不用潤滑油而工作。因此,許多輸送腐蝕性介質的壓縮機和泵廣泛采用石墨材料制成的活塞環、
  密封圈和軸承。它們運轉時無需加入潤滑劑。這種耐磨材料是用普通的炭或石墨材料經過有機樹脂或液態金屬材料浸漬而成。石墨乳劑也是許多金屬加工(拔絲、拉管等)的良好潤滑劑。5高溫冶金及超純材料生產用的結構材料如生產單晶硅用的晶體生長坩堝、區域精煉容器、支架、夾具、感應加熱器等,都是用高純度石墨材料加工而成的。用于真空冶煉中的石墨隔熱板和底座,高溫電阻爐爐管、棒、板、格柵等元件,也是用石墨材料加工制成的。6鑄模、壓模材料炭素材料的熱膨脹系數小,而且耐急冷急熱性好,所以可以用作玻璃器皿的鑄模和黑色金屬及有色金屬或稀有金屬的鑄模。用石墨鑄模得到的鑄件,尺寸精確,表面光潔,不加工即可直接使用或只要稍加工就可使用,因而節省了大量金屬。生產硬質合金(如碳化鎢)等粉末冶金工藝,通常用石墨材料加工壓模和燒結用的舟皿。7原子能工業及軍事工業材料石墨因為具有良好的中子減速性能,最早用于原子反應堆中作為減速材料。鈾-石墨反應堆是目前較多的一種原子反應堆。原子反應堆用的石墨材料必須具有極高的純度。為了降低石墨中的雜質含量,在石墨化過程中通入鹵素凈化氣體。一些經過特殊處理的石墨(如在石墨表面滲入耐高溫的材料)及再結晶石墨、熱解石墨,具有在極高溫度下較好的穩定性及較高的強度重量比。所以,它們可以用于制造固體燃料火箭的噴嘴、導彈的鼻錐、宇宙航行設備的零部件。除此之外,由于碳素材料具有十分突出的生物相容性和適中的機械性能,國內外對新型醫用材料的開發應用研究一直是風活躍。總體來看,醫用碳素材料主要是作為假體植入到體內修復或替代被破壞的器官的功能。一方面,醫用碳素材料是一種化學惰性材料,具有良好的生物相容性,在體內不會因被腐蝕或磨損,不會產生對集體有害的離子,低溫熱解同性碳還具有罕見的抗血凝性能,可直接應用于心血管系統;另一方面,與金屬材料相比,醫用碳素材料又具有良好的"生物力學相容性",尤其是碳纖維問世以來,碳/碳復合材料,碳纖維增強樹脂等多種高性能結構材料不斷涌現,它們可容高強度低模量于一身,并具有良好的抗疲勞性能,因此醫用碳素材料作為修復和替代受損骨組織的材料已較為廣泛地應用于骨傷外科。

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