石墨机械性能指南：您需要了解的一切

石墨的机械特性是指在力的作用下产生的各种特性。这些特性明显来自于石墨结构的特殊性--每一层内的碳原子都有牢固的共价键，但在层与层之间，共价键却很薄弱。

石墨的机械特性

石墨抗压强度

石墨的抗压强度是各向异性的，平行于平面方向的强度远高于垂直方向的强度。例如，碳电极平行方向的抗压强度为 21.6~49.0 兆帕，而垂直方向仅为 11.7~29.4 兆帕。此外，热解石墨在高温下的抗压强度也大大提高，最高可达 137.3 兆帕。

石墨抗弯强度

石墨的抗弯强度在方向上存在差异：平行方向为 4.9~12.7 兆帕，垂直方向为 5.8~15.7 兆帕。石墨的抗弯强度随温度升高而增加，因此具有非常优异的高温机械性能。

石墨弹性模量

石墨的弹性模量反映了应力和应变之间的关系，平行方向大于垂直方向，室温尤为关键。随着温度的升高，其弹性模量的变化对预测力学性能非常重要。

石墨热膨胀系数

石墨随温度变化，不同方向的热膨胀系数差异明显。 热解 石棉 在高温下具有优异的结构和良好的尺寸稳定性。

石墨屈服强度

屈服强度反映了石墨从弹性变形转变为塑性变形的能力，其大小受方向和温度的影响很大。屈服强度在高温下会有很大提高，这与高温环境相吻合。

石墨的硬度

石墨的硬度是各向异性的，取决于测试方法；它可以通过压痕硬度或回弹硬度来确定。热解石墨的硬度相对较高，特别适合高精度应用。硬度取决于施加载荷的方向和方式。

基于石墨机械性能的应用

高温应用

常用于熔炉部件、 坩埚这种材料可以在极高的温度下保持结构的完整性并防止变形。此外，它的热膨胀系数低，能有效降低热应力，在温度急剧变化时表现出卓越的耐久性。

航空航天与国防

由于其重量轻、强度重量比高、耐高温等特性，它在火箭制造中有着广泛的应用。 喷嘴石墨还可用于热保护系统和结构部件。石墨具有高温机械性能，可以在极端环境中实现很好的稳定性。此外，石墨的各向异性可通过设计进行优化，以满足组件的各种性能要求。

核工业

良好的机械性能和化学稳定性使石墨既可作为慢化剂，也可作为结构材料用于 核电 反应堆。石墨的中子吸收截面积小，抗压强度高，因此能够在高辐射和高温条件下长期稳定运行。

润滑和密封

石墨硬度低，自润滑性能好，抗压强度高。它可广泛应用于 轴承用于工业设备的垫片和密封件。它具有低摩擦系数和出色的耐磨性，特别适用于高压、高温和化学腐蚀环境下的密封需求。

对石墨机械性能的影响

石墨晶体结构

斯通-威尔士缺陷的晶界对拉伸强度和断裂行为有很大影响。缺陷具有高密度结构的区域也可能具有较低的机械强度，因为局部应力可能会集中。

石墨生产方法

通过 CVD 合成的多晶石墨通常会出现晶界，从而降低了抗拉强度。不过，单晶石墨的机械性能更好，原因很简单，缺陷更少。

石墨晶粒尺寸和取向

这是因为较大的晶粒可提供更连续的应力分布路径，从而提高强度。然而，较小的晶粒会导致脆性增加，并由于晶界的增加而进一步降低整体强度。

石墨表面改性和功能化

表面改性和功能化可以改善表面的相互作用，使应力分布更加均匀，从而减少缺陷造成的故障。例如，功能化的表面可能更坚韧，更不易产生裂纹。

结论

作为一种非金属材料，石墨的结构和形态通常决定了其机械性能。石墨优异的力学性能也被广泛应用于许多工业领域。未来，随着科学技术的不断进步和完善，石墨力学性能的应用将更加广泛和深入。这将为工业和科学技术的发展提供一个新的方向。