Guida alle proprietà meccaniche della grafite: Tutto quello che c'è da sapere

Le proprietà meccaniche della grafite sono varie proprietà che emergono sotto l'azione della forza. Queste proprietà possono essere chiaramente derivate dalla particolarità strutturale della grafite: gli atomi di carbonio all'interno di ogni strato hanno un solido legame covalente, ma tra gli strati il legame è debole.

Proprietà meccaniche della grafite

Resistenza alla compressione della grafite

La resistenza alla compressione della grafite è anisotropa e la resistenza parallela al piano è molto più alta di quella in direzione verticale. Ad esempio, la resistenza alla compressione degli elettrodi di carbonio in direzione parallela è di 21,6~49,0 MPa, mentre in direzione verticale è di soli 11,7~29,4 MPa. Inoltre, la resistenza alla compressione della grafite pirolitica è notevolmente migliorata ad alta temperatura fino a 137,3 MPa.

Resistenza alla flessione della grafite

La resistenza alla flessione della grafite presenta differenze di direzione: 4,9~12,7MPa in direzione parallela e 5,8~15,7MPa in direzione verticale. La resistenza alla flessione della grafite aumenta con l'aumento della temperatura, indicando così eccellenti proprietà meccaniche ad alta temperatura.

Modulo elastico della grafite

Il modulo elastico della grafite riflette la relazione tra sollecitazione e deformazione, la direzione parallela è maggiore di quella verticale, la temperatura ambiente è particolarmente critica. Con l'aumento della temperatura, la variazione del modulo elastico è molto importante per prevedere le prestazioni della meccanica.

Coefficiente di espansione termica della grafite

La grafite cambia con la temperatura e la differenza del coefficiente di espansione termica è evidente tra le diverse direzioni. Pirolitico grafite ha una struttura eccellente e una buona stabilità dimensionale alle alte temperature.

Resistenza allo snervamento della grafite

Il limite di snervamento riflette la capacità della grafite di trasformarsi da deformazione elastica a deformazione plastica e la sua dimensione è influenzata in larga misura dalla direzione e dalla temperatura. La resistenza allo snervamento migliora notevolmente ad alta temperatura, in accordo con l'ambiente ad alta temperatura.

Durezza della grafite

La durezza della grafite è anisotropa e dipende dal metodo di prova; può essere determinata mediante durezza per indentazione o durezza per rimbalzo. La grafite pirolitica ha una durezza relativamente elevata ed è particolarmente adatta per applicazioni ad alta precisione. La durezza dipende dalla direzione e dal modo in cui viene applicato il carico.

Applicazione basata sulle proprietà meccaniche della grafite

Applicazioni ad alta temperatura

Utilizzato comunemente nelle parti del forno, crogiolie stampi per la fusione dei metalli, il materiale può mantenere la sua integrità strutturale e resistere alla deformazione a temperature estremamente elevate. Inoltre, il suo basso coefficiente di espansione termica riduce efficacemente lo stress termico e presenta un'eccellente durata in caso di rapidi cambiamenti di temperatura.

Aerospazio e Difesa

Grazie alla sua leggerezza, all'elevato rapporto resistenza/peso e alle proprietà di grande resistenza alle temperature, trova ampie applicazioni nella produzione di razzi. ugelli, sistemi di protezione termica e componenti strutturali. Grazie alle sue proprietà meccaniche ad alta temperatura, la grafite può raggiungere un'ottima stabilità in ambienti estremi. Inoltre, la sua anisotropia può essere ottimizzata dalla progettazione per soddisfare i vari requisiti di prestazione dei componenti.

Industria nucleare

Le buone proprietà meccaniche e la stabilità chimica consentono alla grafite di fungere sia da moderatore che da materiale strutturale in nucleare reattori. La grafite ha una bassa area trasversale di assorbimento dei neutroni e un'elevata resistenza alla compressione, che consentono a questo materiale di funzionare costantemente per un periodo molto lungo in condizioni di radiazioni e temperature elevate.

Lubrificazione e tenuta

La grafite ha una bassa durezza, buone proprietà autolubrificanti ed elevata resistenza alla compressione. Può essere ampiamente utilizzata in cuscinetti, guarnizioni e tenute di apparecchiature industriali. Il suo basso coefficiente di attrito e l'eccellente resistenza all'usura sono particolarmente indicati per le esigenze di tenuta in ambienti ad alta pressione, alta temperatura e corrosione chimica.

Impatto sulle proprietà meccaniche della grafite

Struttura cristallina della grafite

I confini dei grani dei difetti Stone-Wales hanno un impatto massiccio sulla resistenza alla trazione e sul comportamento alla frattura. Le aree in cui i difetti hanno una struttura ad alta densità potrebbero anche avere una resistenza meccanica inferiore, poiché le sollecitazioni locali potrebbero essere concentrate.

Metodo di produzione della grafite

La grafite policristallina sintetizzata mediante CVD presenta tipicamente dei limiti di grano, il che comporta una minore resistenza alla trazione. Tuttavia, le grafiti monocristalline hanno proprietà meccaniche migliori semplicemente perché ci sono meno difetti.

Dimensione e orientamento dei grani di grafite

Questo perché i grani più grandi possono offrire un percorso più continuo per la distribuzione delle sollecitazioni, aumentando così la resistenza. Tuttavia, i grani più piccoli porterebbero a una maggiore fragilità e a un'ulteriore riduzione della resistenza complessiva a causa dell'aumento dei confini tra i grani.

Modifica e funzionalizzazione della superficie della grafite

La modifica e la funzionalizzazione della superficie consentono di migliorare le interazioni in superficie e una distribuzione più omogenea delle sollecitazioni, riducendo i guasti dovuti ai difetti. Ad esempio, le superfici funzionalizzate possono essere più dure e resistenti alla formazione di cricche.

Conclusione

Essendo un materiale non metallico, la struttura e la morfologia della grafite ne determinano solitamente le proprietà meccaniche. Le eccellenti proprietà meccaniche della grafite sono anche ampiamente utilizzate in molti settori industriali. In futuro, l'applicazione delle proprietà meccaniche della grafite sarà ancora più estesa e approfondita con il continuo progresso e miglioramento della scienza e della tecnologia. Ciò fornirà una nuova direzione per lo sviluppo dell'industria e della scienza e tecnologia.