熱解石墨
熱解石墨是新型炭素材料，是高純碳?xì)?/span>氣體在一定的爐壓下，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。
發(fā)展歷史 編輯本段
熱解石墨是碳?xì)浠衔餁怏w在熱固體表面上發(fā)生熱分解并在該固體表面上沉積的炭素材料，它不是真正的石墨而是炭素材料，一般說高于1800℃沉積的炭稱為熱解石墨，低于此溫度的為熱解炭。早在1880年Sawyer等用碳?xì)浠衔?/span>氣體在燈絲上首次獲得熱解石墨。20世紀(jì)40年代末至50年代初Brown等用直接通電法得到了小片熱解石墨，測(cè)定了炭的一些性能，從而引起廣泛的注意和興趣。在1960年前后美國(guó)已能制取尺寸較大和異形的部件，用于宇航領(lǐng)域。
流化床熱解炭是顆粒狀基體，在碳?xì)浠衔锛岸栊暂d氣的吹動(dòng)下，在反應(yīng)器內(nèi)上下不斷翻滾，碳?xì)浠衔餆峤舛练e在顆粒表面的炭。用于高溫氣冷反應(yīng)堆核燃料顆粒涂層。1957年，Huddle首先進(jìn)行研究，到1962年美、英、德開始建立以熱解炭包覆核燃料顆粒的實(shí)驗(yàn)性高溫氣冷反應(yīng)堆。
1962年中國(guó)科學(xué)院金屬研究所開始研究熱解石墨的制取、性能及應(yīng)用。并先后在蘭州炭素廠、上海炭素廠、撫順炭素廠建立生產(chǎn)基地，并在20世紀(jì)70年代成功地應(yīng)用于導(dǎo)彈、電子管柵極及人造心臟瓣膜，并已批量生產(chǎn)。
生產(chǎn)工藝 編輯本段
工藝參數(shù) 編輯本段
沉積溫度：1750～2250℃，爐膛壓力：0.67～67hPa，氣體流量：根據(jù)沉積爐之大小，經(jīng)實(shí)驗(yàn)而定。上述沉積溫度，爐膛壓力及氣體流量，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有決定性影響，必須嚴(yán)格保持在下列波動(dòng)范圍內(nèi)即壓力±0.6hPa，流量±5%，溫度±20℃。
沉積速度取決于上述工藝參數(shù)。溫度高，爐壓大，流量多，沉積速度快，具體參數(shù)要根據(jù)沉積爐大小，經(jīng)實(shí)驗(yàn)而定。
加熱方式：可分為直接加熱法和間接加熱法。（1）直接加熱法基體本身通電產(chǎn)生高溫。此法適宜于沉積體較薄，形狀簡(jiǎn)單而體積較小的部件。適合于研究工作。（2）間接加熱法基把身體在發(fā)熱體內(nèi)或外，受到發(fā)熱體輻射而加熱到高溫。這種加熱方法可用電阻加熱和感應(yīng)加熱。此法尤其是感應(yīng)加熱更適合制取尺寸較大，厚度大而形狀復(fù)雜的部件。大型沉積爐的熱區(qū)直徑達(dá)2500mm，高約3000mm。
組成結(jié)構(gòu) 編輯本段
晶體結(jié)構(gòu) 熱解石墨是由碳原子組成六角層面，但很不完善，不具備三維有序性，僅僅是平行堆積，稱為“亂層堆積”結(jié)構(gòu)。熱解石墨的層面間距因沉積溫度的不同而有所變化，沉積溫度越高，面間距越小，石墨化程度越高，在1600～2300℃范圍內(nèi)沉積的熱解石墨面間距在0.344～0.341nm之間，這是碳的結(jié)構(gòu)，而晶格參數(shù)a卻保持不變?yōu)?.246nm。
熱解石墨的顯微結(jié)構(gòu) 主要受沉積溫度及基體表面粗糙度的影響，在沉積面上可看到圓形凹凸不平浮雕般的狀態(tài)。其斷面有兩種結(jié)構(gòu)即錐體從基體一次生長(zhǎng)至表面的一次成核結(jié)構(gòu)及在沉積過程中不斷產(chǎn)生新的小錐體的連續(xù)成核再生結(jié)構(gòu)。
力學(xué)性能：在1500℃以下沉積的層狀結(jié)構(gòu)具有較高的彈性模量與斷裂強(qiáng)度。它們隨著沉積溫度的降低而上升。
輻照性能：熱解炭經(jīng)受中子輻照后，會(huì)出現(xiàn)尺寸的變化，變化的幅度受熱解炭的結(jié)構(gòu)、中子劑量和輻射溫度等因素影響。熱解炭尺寸的變化，必然使其密度及各向異性性能相應(yīng)的改變，大于1400℃沉積的熱解炭經(jīng)輻照處理后，其彎曲彈性模量、彎曲強(qiáng)度均有較大幅度的增加，但層狀結(jié)構(gòu)的熱解炭其彎曲強(qiáng)度基本不受影響。
流化床生產(chǎn)的熱解炭主要用于核燃料顆粒表面的涂層，防止裂變產(chǎn)物的泄漏。此外亦用來制作人造炭質(zhì)心瓣、軸承等。非流化床生產(chǎn)的熱解石墨用于火箭噴管的喉襯、衛(wèi)星姿態(tài)控制用抗磁球、電子管柵極、冶煉高純金屬用坩堝、調(diào)壓器用電刷、激光器的放電腔、高溫爐用保溫材料及半導(dǎo)體生產(chǎn)用外延片等。
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