碳，是生命之源，是地球上一切有機(jī)體生物的骨架元素，是構(gòu)成人體最重要的元素。新興工業(yè)用炭（Carbon in Modern Industries）主要以等靜壓石墨、熱解石墨、熱解炭的形式被用作精密加熱器、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)、新型電池、核反應(yīng)器等。
碳，生命之源，
它是地球上一切有機(jī)體生物的骨架元素，
是構(gòu)成人體最重要的元素。
【碳材料發(fā)展史】
新興工業(yè)用炭
Carbon in Modern Industries
主要以等靜壓石墨、熱解石墨、熱解炭的形式被用作精密加熱器、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)、新型電池、核反應(yīng)器等。
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等靜壓石墨
等靜壓石墨是上世紀(jì)40年代發(fā)展起來的一種新型石墨材料，具有一系列優(yōu)異的性能。等靜壓石墨的耐熱性好，在惰性氣氛下，隨著溫度的升高，其機(jī)械強(qiáng)度反而升高，在2500℃左右時(shí)達(dá)到最高值；與普通石墨相比，結(jié)構(gòu)精細(xì)致密，而且均勻性好；熱膨脹系數(shù)很低，具有優(yōu)異的抗熱振性能；各向同性、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能良好；具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能。正是由于具有這一系列的優(yōu)異性能，等靜壓石墨不僅在民用上大有作為，在國(guó)防尖端上占有重要地位，屬新型材料，令人矚目。它是制造單晶爐、金屬連鑄石墨結(jié)晶器、電火花加工用石墨電極等不可替代的材料，更是制造火箭噴嘴、石墨反應(yīng)堆的減速材料和反射材料的絕好材料。
應(yīng)用
太陽(yáng)能電池及半導(dǎo)體晶片用石墨
在太陽(yáng)能、半導(dǎo)體行業(yè)中，大量使用等靜壓石墨，制作單晶直拉爐熱場(chǎng)石墨部件，多晶硅熔鑄爐用加熱器，化合物半導(dǎo)體制造用加熱器、坩堝等部件。近年來，太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，光伏產(chǎn)業(yè)中的單晶硅和多晶硅生產(chǎn)對(duì)石墨需求量巨大。目前，單晶、多晶硅產(chǎn)品均朝大型化、高端化發(fā)展，對(duì)等靜壓石墨也有了更高的要求，即：更大規(guī)格、更高強(qiáng)度、更高純度。
有色冶金連鑄用石墨結(jié)晶器
為了縮短生產(chǎn)工藝流程，降底成本，提高質(zhì)量，減少勞動(dòng)強(qiáng)度和對(duì)環(huán)境的污染，20多年來金屬材料生產(chǎn)逐漸向連鑄方向發(fā)展。
等靜壓石墨主要用于大型銅材生產(chǎn)線。自1985年開始，我國(guó)從奧地利、法國(guó)、瑞士、日本等國(guó)先后引進(jìn)30多條生產(chǎn)線，而國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)制造的生產(chǎn)線已達(dá)到100多條，均采用石墨結(jié)晶器。
電極石墨
電火花加工是當(dāng)今模具行業(yè)的一次革命，它不僅簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)工藝手段，而且使制造異形模具成為可能。石墨無熔點(diǎn)，是電的良導(dǎo)體，抗熱振性好，是極佳的電火花加工電極材料。普通石墨材料，為粗顆粒結(jié)構(gòu)低密度各向異性石墨，不能滿足電火花加工的需求，而等靜壓石墨因具有各向同性，是制造電火花石墨電極的最佳材料。
單晶硅生產(chǎn)石英坩堝模具用石墨材料
石英坩堝是直拉單晶硅的容器，而制造石英坩堝用石墨坩堝作為成型材料。
高氣冷堆堆芯結(jié)構(gòu)石墨材料
等靜壓石墨具有中等的力學(xué)性能，特別出色的高溫力學(xué)性能，導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)低。在高溫氣冷堆中，主要用作反射劑、慢化劑及活性區(qū)結(jié)構(gòu)材料，同核燃料一道構(gòu)成核燃料組件。在400～1200℃的溫度下，受高能γ射線和快中子的放射線，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)年之久，容易造成輻照損傷，從而改變石墨的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，所以要求材料的石墨化度高、各向同性度好、組成均一、彈性模量低。
核石墨與常規(guī)工程用石墨的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，核純和耐輻照損傷。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)核石墨材料的研制尚缺輻照試驗(yàn)這一環(huán)節(jié)，這是下一步研制中必須面對(duì)過程，除輻照要求外，核石墨在冷態(tài)狀態(tài)下的質(zhì)量要求是：規(guī)格大型化、質(zhì)量穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低。目前，我國(guó)只能生產(chǎn)少量的高溫氣冷堆反應(yīng)用核石墨，主要還是依賴進(jìn)口。
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熱解石墨
熱解石墨是新型炭素材料，是高純碳?xì)錃怏w在一定的爐壓下，在1800℃～2000℃的石墨基體上經(jīng)化學(xué)氣相沉積出的較高結(jié)晶取向的熱解碳，它具有高密度（2.20g/cm）、高純度（雜質(zhì)含量（0.0002%）和熱、電、磁、力學(xué)性能各向異性。在1800℃左右仍能維持10mmHg的真空度。
應(yīng)用
主要應(yīng)用
石墨加熱器、導(dǎo)流桶、PBN/PG復(fù)合加熱器、原子吸收管。
涂層產(chǎn)品應(yīng)用
半導(dǎo)體行業(yè)中，拉制硅單晶導(dǎo)流筒。
半導(dǎo)體行業(yè)石墨加熱器涂層。
晶片退火工藝PBN/PG復(fù)合加熱器涂層。
分析儀器用的原子吸收管熱解石墨涂層。
電子束蒸發(fā)蒸鋁坩堝。
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熱解碳
熱解碳和熱解石墨是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的氣相沉積碳。
熱解碳按其特性可以分為高密度的致密熱解碳與低密度的疏松熱解碳和各向同性與各向異性熱解碳。其性能和結(jié)構(gòu)取決于熱解溫度。800-1000℃以下熱解的是熱解碳,在 1400-2000 ℃ 熱解或更高溫度下處理的叫熱解石墨。熱解碳的性質(zhì)結(jié)構(gòu)取決于其制造條件，其中以沉積溫度為重。
從其反應(yīng)機(jī)理上說,制備熱解碳要經(jīng)歷兩個(gè)階段:
1 發(fā)生炭化過程, 生成焦碳和分離的揮發(fā)產(chǎn)物。
2 生成的產(chǎn)物降解成熱解碳、水、氣體。
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碳纖維
碳纖維（carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。
應(yīng)用
碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。從航天、航空、汽車、 電子、機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運(yùn)動(dòng)器材和休閑用品等。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可以應(yīng)用于飛機(jī)制造等軍工領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電葉片等工業(yè)領(lǐng)域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。球棒等體育領(lǐng)域。碳纖維是典型的高科技領(lǐng)域中的新型工業(yè)材料。
復(fù)合材料
由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等特點(diǎn)，已在航空航天、國(guó)防軍工和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。
土木建筑
碳纖維也應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結(jié)構(gòu)等的加固補(bǔ)強(qiáng)，在鐵路建筑中，大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來會(huì)有很好的應(yīng)用，這些也將是碳纖維很有前景的應(yīng)用方面。另外， 碳纖維做補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)， 不需要增加螺栓和鉚釘固定，對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小， 施工工藝簡(jiǎn)便。
產(chǎn)品分類
壓力容器
壓力容器采用碳纖維復(fù)合材料制作，主要用在汽車的壓縮天然氣罐上，而且還用在救火隊(duì)員的固定式呼吸器上。CNG罐源于美國(guó)和歐洲國(guó)家，日本和其他的亞洲國(guó)家也對(duì)這項(xiàng)應(yīng)用表現(xiàn)出了極大的興趣。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片
世界上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)額定功率越來越大，與其相適應(yīng)的風(fēng)機(jī)葉片尺寸也越來越大。為了減少葉片的變形，在主乘力件如軸承和葉片的某些部位采用碳纖維來補(bǔ)充其剛度。中國(guó)‘十五’期間的風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)到1。5G瓦，因而碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上的應(yīng)用前景看好。
碳纖維在風(fēng)能、核能和太陽(yáng)能等新能源領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率超過3MW，葉片長(zhǎng)度超過40米時(shí)，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)趨于極限，采用碳纖維復(fù)合材料制造葉片是必要的選擇。只有碳纖維才能既減輕葉片的重量，又能滿足強(qiáng)度和剛度的要求。
碳纖維布
碳纖維布又稱碳素纖維布，碳纖布，碳布，碳纖維織物，碳纖維帶，碳纖維片材（預(yù)浸布）等 。碳纖維布是一種單向碳纖維產(chǎn)品，通常采用12K碳纖維絲織造。重量最輕的是1K碳布，中國(guó)碳纖維車架單車、三角架基本使用3K碳布。1K碳纖維管材由于從碳絲的等級(jí)，樹脂的成分，碳布的密度，成型的壓力溫度等等工藝都非常嚴(yán)格，1K碳布價(jià)格是3K碳布的3倍?？商峁﹥煞N厚度：0.111mm（200g）和0.167mm（300g）。碳纖維布強(qiáng)度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構(gòu)件自重及截面尺寸。碳纖維廣泛適用于建筑物橋梁隧道等各種結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀的加固修復(fù)和抗震加固及節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)加固。
碳纖維復(fù)合材料抽油桿
有關(guān)數(shù)據(jù)表明，至2008年有8%到10%更新或新增的抽油桿用碳纖維復(fù)合材料抽油桿取代，共需碳纖維320到420t。預(yù)測(cè)至2010年如果按15%的取代量計(jì)算，則碳纖維消耗量可達(dá)624噸。
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膨脹石墨
作為一種新型功能性碳素材料，膨脹石墨(Expanded Graphite，簡(jiǎn)稱EG)是由天然石墨鱗片經(jīng)插層、水洗、干燥、高溫膨化得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質(zhì)。EG 除了具備天然石墨本身的耐冷熱、耐腐蝕、自潤(rùn)滑等優(yōu)良性能以外，還具有天然石墨所沒有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性、生物相容性、耐輻射性等特性。
應(yīng)用
環(huán)保領(lǐng)域
膨脹石墨有疏水性和親油性,可以在水中有選擇性地除去非水性的溶液,如從海上、河流、湖泊中除去浮油。
密封材料
膨脹石墨可后處理成柔性石墨作為密封材料使用。
生物醫(yī)學(xué)
膨脹石墨有良好的生物相容性、無毒、無味、無副作用等特點(diǎn),是一類非常重要的生物醫(yī)學(xué)材料。
高能電池材料
在可充鋅錳電池的鋅陽(yáng)極中添加膨脹石墨可以減小鋅陽(yáng)極充電時(shí)的極化,增強(qiáng)電極及電解液導(dǎo)電性,抑制枝晶形成,并能提供良好的成型特性,抑制陽(yáng)極溶解和變形,延長(zhǎng)電池壽命。
相變儲(chǔ)熱材料
相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱性能不好,換熱性能差,影響其儲(chǔ)能和釋能效率。同時(shí)復(fù)合相變材料中多孔介質(zhì)的孔隙率較小,內(nèi)含相變材料少,導(dǎo)致其儲(chǔ)能量低,這些缺點(diǎn)都限制了該材料的應(yīng)用和發(fā)展。膨脹石墨豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)熱性能，可以很好的彌補(bǔ)這些缺陷。
防火安全材料
國(guó)外已于機(jī)艙座椅的夾層中添加部分可膨脹石墨,或?qū)⑵渲瞥煞阑鹈芊鈼l、防火堵料、阻火圈等,一旦起火迅速膨脹,堵塞火災(zāi)蔓延通道,達(dá)到滅火目的。此外,將可膨脹石墨的細(xì)顆粒加入到普通涂料中,可制得效果較好的阻燃防靜電涂料。
蔡曉霞等對(duì)聚磷酸銨(APP)和膨脹石墨(EG)協(xié)同阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)及其阻燃機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,APP和EG對(duì)EVA具有良好的協(xié)同阻燃效果。
產(chǎn)品分類
柔性石墨密封材料按其用途，主要分為兩大類：一類用于各種泵、閥門、反應(yīng)釜上的密封填料；另一類是用于各種管道法蘭上的石墨墊片。
密封填料
密封填料是將切成適當(dāng)寬度和長(zhǎng)度的膨脹石墨帶纏繞在不同規(guī)格的金屬模中，在壓力機(jī)上直接成型的預(yù)成填料，適用于各種截止閥、閘閥、調(diào)節(jié)閥、球閥、加閥等。
密封墊片
通常可分為兩種，一種是純石墨墊片，它是用膨脹石墨粒料直接在金屬模中壓制成型，也可用膨脹石墨板材直接沖裁或切割而成；另一種是石墨纏繞墊，是以金屬帶和膨脹石墨重疊卷成，可以在較高壓力下使用。
石墨盤根
石墨盤根是用棉纖維或石墨纖維同石墨卷箔編織而成的密封材料。以棉纖維為芯的石墨盤根（SPM型）適用于壓力12MPa、溫度200℃以下的管道、閥門、機(jī)泵等的密封，接觸介質(zhì)可為河水、自來水、地下水、海水、油類等。以石墨纖維為芯的石墨盤根（SPS型）適用于壓力12MPa、溫度350℃以下的管道、閥門、機(jī)泵等的密封，接觸介質(zhì)除了各種水、油類外，還可以接觸酸堿物質(zhì)。
