Рис. 1. Термическая стабильность углеродных наноструктур

Лекция №2
Виды углеграфитовых
материалов (УГМ)
Рис. 1. Термическая стабильность углеродных наноструктур
Рис. 2. Схематическая обобщенная фазовая диаграмма «металл—углерод».
М — металл, Э — эвтектика металл—углерод. Линии a'^b'^c'^d' и
соответствуют
высокотемпературному и низкотемпературному путям синтеза углеродных отложений,
соответственно
Модель зародыша SiC в виде
«гофрированного листа»
Рис 3. Модели углеродного зародыша и зародыша карбида кремния
на поверхности металлической частицы
Классы УГМ
электродные изделия;
2. огнеупорные материалы;
3. химически стойкие изделия
(конструкционные материалы);
4. электроугольные изделия;
5. антифрикционные изделия;
6. графитированные блоки и детали для
атомной энергетики;
7. углеродистые массы и пасты;
8. углеродные волокна и углепластики;
9. углеродные наноматериалы.
1.
1. Электродные изделия
В зависимости от исходного сырья делятся
на:
1. угольные – антрацит;
2. коксовые – малозольный кокс;
3. графитовые – графит (естественный,
искусственный, пропитанный смолами;
измельченный, пропитанный
фенолформальдегидной смолой);
4. графитированные – малозольные
коксы с дальнейшей графитацией.
Основные свойства электродов
Показатели
Зольность, %
Плотность, кг/м3
Удельное электрическое
сопротивление, мкОм۟
∙м
Коэффициент
теплопроводности λ,
Вт/м∙К
Угольные
электроды
Графитированн
ые электроды
0,2–0,5
0,05–0,10
1900–2050
2200–2250
30–80
7–15
4,2–8,4
122–210
Основным видом катодной
продукции являются:
катодные блоки, из которых
выкладываются подина и боковые
стенки электролизеров, используемых
для электролиза оксида алюминия;
 графитированные аноды,
применяемые для получения хлора,
каустической соды при электролизе
водных растворов хлорида натрия,
которые должны обладать
максимальной электропроводностью.

2. Огнеупорные материалы
При высоких температурах (выше
2000 °С) углеродистые материалы, в
силу своих специфических свойств и
относительно низкой стоимости,
незаменимы при строительстве
различных типов печей.
Огнеупорные материалы
применяются для:
1.
2.
3.
4.
5.
футеровки лещади и горна;
изготовления тиглей, ложечек,
изложниц для плавки сверхчистых
металлов;
изготовления графитовых пресс-форм;
изготовления форм для литья больших
слитков углеродистых легированных
сталей;
изготовление «смолопропитанных
огнеупоров»
3. Химически стойкие изделия
В настоящее время теплообменная
аппаратура из графита успешно
применяется в большинстве
производств с агрессивными средами.
 Для усиления свойств графита его
пропитывают синтетическими смолами
и получают композиты.
 Пористые углеграфитовые материалы
применяются для фильтрации газов и
жидкостей.

4. Электроугольные изделия
В отличие от электродных
электроугольные изделия являются более
мелкими:
1. щетки в контактах электрических машин;
2. осветительные угли в буровых лампах;
3. угли в спектральном анализе;
4. элементные угли.
5. Антифрикционные изделия



Графит обладает свойством
самосмазываемости.
При работе пары графит–металл на
поверхности металла образуется тонкая
пленка ориентированных кристаллов
графита, которая обеспечивает устойчивый
режим скольжения.
Эти изделия способны работать в широком
интервале температур (от –200 до +2100
°С), при высоких скоростях скольжения (до
100 м/с) в агрессивных средах.
6. Графитовые материалы для
атомной энергетики
Углеграфитовые материалы
используются в ядерных реакторах в
качестве замедлителей и отражателей
нейтронов в активной зоне реактора.
 Из четырех видов замедлителей –
простая вода, тяжелая вода, бериллий
и графит – последний является одним
из подходящих замедлителей. Он
практически не поглощает тепловые
нейтроны.

7. Углеродные массы и пасты
Используют в самоспекающихся
электродах (электродная и анодная
масса), они служат для заполнения швов
между углеграфитовыми блоками
 Самоспекающийся электрод
представляет собой металлический
кожух, заполненный электродной
массой. Под действием высокой
температуры масса спекается,
приобретая свойства угольных
электродов.

Электролизер с самообжигающимся анодом
Углеродные массы и пасты
применяются:
1.
2.
3.
4.
5.
при кладке и футеровке печей, а
также для набивки подин
электролизеров и печей;
производство алюминия и
феросплавов;
производство карбида кальция;
производство фосфора;
производство абразивных
материалов.
8. Углеродные волокна и
углепластики
Углеродные волокна.
Независимо от метода
получения углеродных
волокон форму изделию
придают на стадии
предварительной
обработки, при пиролизе
эта форма уже не
изменяется.
Углеродные нановолокна и нанотрубки, получаемые
из углеродных остатков
Пряжа из сверхтонких
мономолекуляных углеродных
волокон диаметром < 0,1 мкм
Очень высокий модуль
упругости и предел прочности
на разрыв
Состоят из одной или
нескольких свёрнутых в
трубку гексагональных
графитовых плоскостей и
заканчиваются обычно
полусферической головкой
Важные механические свойства: прочность на разрыв
модуль упругости
Углеродные волокна классифицируют на:
•высокопрочные (>3 ГПа)
•сверхвысокопрочные (>4,5 ГПа)
•низкомодульные (Е<100 ГПа)
•среднемодульные (Е=200-320 ГПа)
•высокомодульные (Е>350 ГПа)
•ультравысокомодульные (Е>450 ГПа).
Получение углеродных волокон
1.
2.
выдавливания через отверстия
(фильеры) с вытяжкой, при этом
структурные элементы полимера,
вначале имеющие форму спирали или
глобулы, приобретают форму фибрилл
(нитевидных образований);
стабилизация волокна (обычно
окислительная) придает неплавкость
при последующей обработке.
Сырье для производства
углеродных волокон
1.
2.
Полиакрилонитрил (ПАН) – формирование
упорядоченной графитоподобной сетки
происходит довольно легко;
Гидроцеллюлоза (ГЦ) – присутствие
кислородных атомов затрудняет создание
непрерывной ароматизированной
структуры углеродного материала.
Карбонизация ПАН и ГЦ-волокон
происходит в интервале температур 400–
900 °С, а графитация – 1800–2500 °С.
Стеклоуглерод
Стеклоуглерод – продукт термической
переработки сетчатых полимеров:
фенолформальдегидных смол (ФФС),
целлюлозы.
 Структура стеклоуглерода – это клубок
беспорядочно переплетенных
углеродных лент, состоящих из
микрокристаллитов, сшитых
углеродными связями различной
кратности.

Получение стеклоуглерода
300–400 °С – реакции дегидратации с
замыканием циклов и значительно
уменьшается содержание кислорода;
 >600 °С – раскрытие фурановых циклов
и последующая ароматизация;
 700 до 3000 °С – рост гексагональных
структур с выделением водорода (не
поддается графитации даже при
температуре 3000 °С).

9. Углеродные наноматериалы
– фуллерен;
– нанотрубка;
– нанографит.
Фуллерены
Фуллерены — молекулярные
соединения, принадлежащие классу
аллотропных форм углерода и
представляющие собой выпуклые
замкнутые многогранники, составленные
из чётного числа трёхкоординированных
атомов углерода (sp2-гибридизация).
Брутто формула Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и
84.
Нанотрубки
Однослойная нанотрубка представляет
собой цилиндр, получаемый
сворачиванием графенового слоя с
бесшовным соединением его кромок.
 Экспериментально установлено, что
диаметр однослойных трубок составляет
приблизительно 0,7–2,0 нм, а длина их
может быть в пределах от сотен
нанометров до микрометра.

Однослойные углеродные нанотрубки
трех разных типов хиральности
Нанографиты



Они являются структурными элементами
(блоками) многих пористых углеродных
материалов.
Нанографитовые частицы связаны друг с
другом небольшим числом С–С-связей sp3типа.
Систему несвязанных друг с другом
нанографитовых частиц можно получить
термообработкой при высоких
температурах в инертной газовой среде
алмазного порошка, состоящего из частиц
нанометрового размера.