グラファイト機械特性ガイド：知っておくべきことすべて

グラファイトの機械的特性は、力の作用下で現れる様々な特性である。これらの特性は、グラファイトの構造上の特殊性（各層内の炭素原子は強固な共有結合を持つが、層間の結合は弱い）から明確に導き出すことができる。

グラファイトの機械的特性

グラファイト圧縮強度

黒鉛の圧縮強度は異方的であり、平面に平行な方向の強度は垂直方向の強度よりもはるかに高い。例えば、炭素電極の平行方向の圧縮強度は21.6～49.0MPaであるが、垂直方向は11.7～29.4MPaに過ぎない。また、熱分解黒鉛の圧縮強度は、高温で137.3MPaまで大幅に向上する。

グラファイト曲げ強度

グラファイトの曲げ強さは方向によって差がある：平行方向は4.9～12.7MPa、垂直方向は5.8～15.7MPaである。黒鉛の曲げ強さは温度上昇とともに増加し、非常に優れた高温機械的特性を示す。

グラファイト弾性率

黒鉛の弾性率は、応力とひずみの関係を反映し、垂直方向よりも平行方向、特に室温が重要である。温度上昇に伴う弾性率の変化は、力学的性能を予測する上で非常に重要である。

グラファイト熱膨張係数

黒鉛は温度によって変化し、熱膨張率は方向によって明らかに異なる。 熱分解 グラファイト は優れた構造を持ち、高温での寸法安定性も良好である。

グラファイト降伏強度

降伏強度は、黒鉛が弾性変形から塑性変形に変化する能力を表し、その大きさは方向と温度に大きく影響される。降伏強度は高温で大きく向上し、高温環境と一致する。

黒鉛の硬度

黒鉛の硬度は異方性で、試験方法によって異なり、圧子硬度や反発硬度によって測定することができる。熱分解黒鉛は比較的硬度が高く、特に高精度の用途に適している。硬度は、荷重の方向とかけ方に依存する。

グラファイトの機械的特性に基づく応用

高温アプリケーション

炉部品によく使用される、 坩堝また、金属鋳造用の金型などにも使用され、この材料は構造的完全性を保持し、超高温での変形に耐えることができる。その上、熱膨張係数が低いため、熱応力を効果的に低減し、急激な温度変化にも優れた耐久性を発揮する。

航空宇宙・防衛

軽量で強度重量比が高く、耐熱性に優れているため、ロケットの製造に幅広く使用されている。 ノズル熱保護システム、構造部品など。高温での機械的特性を持つグラファイトは、過酷な環境下でも非常に優れた安定性を実現できる。さらに、その異方性は、部品の様々な性能要件を満たすために設計によって最適化することができる。

原子力産業

優れた機械的特性と化学的安定性により、グラファイトは減速材としても構造材料としても機能する。 核 原子炉。黒鉛は中性子吸収断面積が小さく、圧縮強度が高いため、高放射線・高温の条件下でも長時間安定して運転できる。

潤滑とシーリング

黒鉛は硬度が低く、自己潤滑性があり、圧縮強度が高い。以下の用途に広く使用できる。 ベアリング産業機器のガスケットやシールに使用されています。その低摩擦係数と優れた耐摩耗性は、特に高圧、高温、化学腐食環境でのシールニーズに適しています。

グラファイトの機械的特性への影響

グラファイト結晶構造

ストーン・ウェールズ欠陥の粒界は、引張強さと破壊挙動に大きな影響を与える。欠陥が高密度の構造を持つ部分は、局所的な応力が集中するため、機械的強度も低くなる可能性がある。

黒鉛製造法

CVDによって合成された多結晶グラファイトは、一般的に粒界を含むため引張強度が低い。しかし、単結晶グラファイトの方が機械的特性が優れているのは、単に欠陥が少ないからである。

グラファイトの粒径と配向

これは、結晶粒が大きいほど応力分布がより連続的になり、強度が向上するためである。しかし、結晶粒が小さくなると脆性が増し、粒界が増えるため全体の強度がさらに低下する。

グラファイトの表面改質と機能化

表面改質や機能化によって、表面での相互作用が改善され、応力がより均質に分布するようになり、欠陥による故障が減少する。例えば、機能化された表面は、より強靭で亀裂が進展しにくい。

結論

非金属材料であるグラファイトは、その構造と形態が機械的特性を決定する。黒鉛の優れた機械的特性は、多くの産業分野でも広く利用されている。今後、科学技術の絶え間ない進歩と向上により、黒鉛の機械的特性の応用はさらに広範かつ深化していくだろう。このことは、産業と科学技術の発展に新たな方向性を与えるだろう。