影响炭石墨材料质量因素的探讨与分析
1、前言
由于炭和石墨是热和电的良导体，耐热性能好，尤其是高温强度大等特征，已越来越被广泛的用做高温结构材料和机械材料。而这些材料是由石墨粉、石油焦、沥青焦、炭黑等骨架材料的颗粒和煤焦油、沥青粘结剂，经磨粉、混捏、成型、焙烧、浸渍和石墨化制成的。由于选用的原材料、生产工艺、制造方法再加上使用的设备等因素，使产品在制造过程中存在一定的缺陷，影响着材料的质量。
2、影响材料均一性的因素
制品的结构是否均匀，均匀程度如何？取决于物料的混合工艺，在混合过程中对物料混合均匀度产生影响的原因复杂，且互相交织，彼此相互作用，对均匀度影响较大因素如下：
（1）粉末松装比重的影响
粉末的松装比重，在不加粘结剂的干混条件下，对混合的均匀性有很大的影响，比重不同的粉末在相互混合时，呈现比重轻的上浮，比重大的下沉的趋势。且经过混合均匀的混合物，在受到振动时，还会出现离析现象。
（2）粉末颗粒度的影响
由于混合时各组分的颗粒度的分布是无规则的，因此随着粉末颗粒度的变小，在混合物总体积的各部分中能表征混合物平均性质可取的次数也就增大。对混合的均匀性有影响的还有各组分粒度大小的比例，如在双组分体系中，混合物的性能指标随△d/dm的比值而变。其中△d—两组分平均粒径的差数、dm—两组分平均粒径的算数平均值。在△d/dm>1情况下，混合的均匀性可以提高，这是由于细颗粒粉末的流动性较高，从而提高了流过粗颗粒间隙的能力，反之，则混合的均匀性降低。
（3）各组分比例的影响
双组分中，当其中一个组分的比例大大超过另一组分时，则易形成该组分的链，混合物中各部分的性质容易趋于均一；反之如双组分的比例接近1：1，则各种组分间链易于断开，混合物性质不均匀。多组分的情况要复杂得多。
（4）混合时间的影响
混合时间是影响料粉均匀程度的一个重要因素，混合时间短，则各种粉末没有经过充分的搅拦、混合，导致制品结构不均匀，性能差别较大。混合时间长，沥青的氧化程度则加深，料糊的可塑性差，影响成型。因此，混合时间的选择至关重要。
综合上述诸多原因，在产品生产过程中（尤其是新产品的试制）应减少因松装比重差别大而产生的影响。通过确定选择最佳的混合时间，使之避免因沥青过度氧化影响料糊的塑性，又通过使料粉得到充分的搅拌、混合，从而使制品结构均匀。
3、影响制品开裂问题的因素
制品开裂的现象在成型、焙烧、石墨化工序均有，分析认为在不同阶段导致制品开裂的原因不同。
3.1 制品在成型过程中的开裂
成型过程中导致产品开裂的原因是成型压力和粉末特性。
3.1.1 成型压力
弹性后效通常随成型压力的增大而增大，这是由于成型时使用的压力越大，则生坯中储存的内应力也越大，生坯出模后，释放的压力也就越大，导致生坯开始发生膨胀，使生坯产生开裂现象。
3.1.2 粉末特性
粉末的粒度越细，则其比表面积越大，粉末间的磨擦也就越大。要得到具有粗粒粉末性能的生坯，必须使用较大的压力，因而弹性后效也相应增大，生坯开裂的可能性增大。
压粉粘结剂过少，压粉塑性差时，弹性后效增大。
综合分析上述影响因素，为了获得制品的优良性能而采用的料粉的粒度较细，成型压力不宜过高，以免因弹性后效过大造成废品离高的现象，现时成型压力也不要过低，以免制品性能差满足不了使用要求。在成型过程中，，通过试验优选成型工艺，较好地解决了成型开裂问题。
3.2 制品在热处理过程中的开裂
制品在热处理过程中产生开裂是造成废品的主要原因，废品的产生主要集中在：一是由于温升速度过快，造成粘结剂中有机物的挥发，逸出率过高所造成的开裂；二是制品因粘结剂被氧化，制品内部应力分布所造成的开裂。这一过程的开裂大约占总废品的90%以上。
由于原料粉粒度很细，比表面积大，这样在混合过程中，由于原料比表面积大，而吸油量相对就高，造成制品生坯内低温挥发物过多。在焙烧过程中，如果升温速度过快，尤其是粘结剂中碳氢化合物分解逸出阶段，会导致这一阶段挥发逸出的产物过多、过争，制品内部挥发出的碳氢化合物因快速升温而迅速膨胀而导致制品发生胀裂。
另外，升温和冷却速度在很大程度上影响到炉室内的制品内部的温度分布，温升速度快，使炉室和制品内的温差增大，结果制品在不同阶段的分解和聚合过程中引起制品内外的收缩不一致而产生内应力，这种内应力在300℃以下，将导致制品的塑性变形，而在500℃以上，当制品外层的粘结剂已形成焦炭而硬化时，内应力将使制品开裂而成为废品。
另一方面，由于粘结剂在加热的情况下与氧接触会发生氧化现象，粘结剂的氧化主要在400℃以内。焙烧时，由于砖槽的密封不良，要侵入一部分热空气，热空气在和制品接触时，制品的表层，在氧能扩散进去的深度范围内，粘结剂将被氧化。因而提高粘结剂的析焦量，降低制品表层的收缩率，造成制品内外收缩不均匀，导致制品开裂。这种裂纹很不规则，一般是靠近窑室壁和砖槽壁的制品出现这种现象较多。
为了使制品具有优良的综合性能，就要制定一条合理而经济的升温曲线，一方面避免因挥发过快和制品内部收缩不一致而导致制品开裂；另一方面避免因氧化而导致制品开裂。
4、影响材料密实化处理的因素
焙烧制品一般还要经过密实化处理，以减少气孔率、提高体积密度及强度。
炭石墨制品常以沥青浸渍作为密实化处理的手段。影响浸渍效果一般有二个方面的因素，一是浸渍的工艺技术条件；二是浸渍剂的物理性质（如浸渍剂的粘度和析焦率）。
粘度是影响浸渍效果的主要因素，浸渍剂在一定温度下能够进入炭和石墨制品的气孔中主要靠粘滞流动，因此使用低粘度的浸渍剂则比较容易渗透到较小的气孔中。所以达到同样增重则所需的浸渍压力和时间可适当减小，如用同样浸渍压力和时间，则粘度低的浸渍剂的浸渍效果要好得多。对于热塑性材料如煤沥青，最普通的降低粘度的方法是提高加热温度不同的煤沥青在低温加热时的粘度差别很大，但加热到较高温度时，粘度则趋向一致。
另外，在煤沥青中加入少量添加剂也可以降低粘度，但加入要适量，过多的加入会降低浸渍剂的其他指标。增加流动性，对于制品特别是气孔孔径较小的制品，可以大大提高制品的浸渍效果。
焦化后的析焦率也是沥青浸渍剂一个重要指标，对于以提高密度和强度为目的而进行浸渍的焙烧和石墨化制品来讲，浸渍剂的析焦率越高越好。软化点在65-75℃的煤沥青的析焦率为50%左右，因此使用煤沥青可以有效的提高制品的密度和强度。
综合上述各种因素对制品浸渍效果的影响，采取二个方面兼顾即从浸渍工艺方面来考虑，又从浸渍剂的物理性质来做文章，综合改善制品的浸渍条件，明显提高了制品的浸渍效果，如下表。
表 三种浸渍方法效果对比
Table The effect contrast of three kinds of the impregnating method
| 增重率/ | 浸渍方法 | ||
| % | 常规浸渍法 | 高压1.0MPa浸渍法 | 高压改性浸渍法 |
| 一浸增重率 | 20 | 22 | 25 |
| 二浸增重率 | 10 | 12 | 14 |
5、影响材料结构的因素
因影响材料结构的因素繁多，除了原料粉种类、粒度及在各工艺过程中的影响因素外，在石墨化过程中尚有石墨化温度的高低及高温维持时间的长短等。
高温加热是无定形炭转化为石墨的主要条件，一般情况下石油焦加热到1700℃进入石墨化阶段，而沥青焦要加热到2000℃进入石墨化阶段，到2300℃左右才能达到或接近天然石墨的晶格尺寸，比较完善的石墨化要加热到2500℃以上。
在石墨化阶段发生的是碳分子迁移，使无定形碳分子由无序状迁移致具有一定规则的六角环形片状体即石墨晶体。
对同一种材料来说石墨化的温度越高则石墨材料的化学稳定性越好，机械性能则越差，反之制品的自润滑性能下降。所以为使制品具有较好的机械强度又具有良好的自润滑性，就要有一个合理的石墨化温度，才能保证材料具有良好的机械性能。在生产过程中石墨化温度是和单位制品的耗电量相联系的，所以制定单位的耗电量是至关重要的。
6、结论
在今后的新产品试制和试生产时，一定要选择理想的原材料，采用最合理的工艺配方及最佳的生产方法。同时要求操作者严格按生产工艺及配方进行生产，质检人员要严格控制各道工序的质量，就一定能够生产出各向指标达到技术要求的合格产品，满足用户的需求。
参考文献：
[1] 湖南大学炭素教研室编 炭素工艺学[M] 1984
[2] [苏联]A·C·费阿尔柯夫 炭和石墨材料[M]
[3] 谢有赞著 炭和石墨制品生产[M] 冶金工业出版社，1976
