石墨的特性及其在真空炉内的应用
来源：顶立科技 | 发布时间：2014-07-27 |
一、石墨的分类
1、按碳含量分类 | |
分类 | 碳含量 |
高纯石墨 | ≥99.9% |
高碳石墨 | ≥94% |
中碳石墨 | ≥80% |
低碳石墨 | ≥50% |
2、按成型方式分类 | |
分类 | 备注 |
等静压石墨 | |
模压石墨 | |
挤压石墨 | |
振实成型石墨 | |
3、电极石墨按颗粒度分类 | |
分类 | 粒度 |
细结构石墨 | ＜0.8mm |
中粗石墨 | 0.8mm |
电极石墨 | 2~4mm |
二、石墨的生产工艺
三、石墨的特性
1、真空炉常用石墨的物理、力学性能
主要性能 | 等静压石墨 | 模压石墨 | 振实石墨 | 检验依据 |
电阻率 | 9~15μΩm | 7~13μΩm | 5~9μΩm | YB/T 120-1997 炭素材料电阻率测定方法 |
体积密度 | ≥1.8g/cm3，各向同性，均匀性好，边缘与中心密度差约为0.5% | ≥1.7g/cm3，与压制方向和位置有关，均匀性差，边缘与中心密度差约为10% | ≥1.5g/cm3 | YB/T 119-1997 炭素材料体积密度测定方法 |
抗压强度 | ≥70MPa | ≥70MPa | ≥35MPa | GB/T1431-2009 炭素材料耐压强度测定方法 |
抗折强度 | ≥35MPa | ≥35MPa | ≥17MPa | GB/T 3074.1-2008 石墨电极抗折强度测定方法 |
肖氏硬度 | 45~55 | 45~55 | 45~55 | |
灰分 | ≤700ppm | ≤700ppm | ≤1000ppm | |
平均粒度 | 18~25μm | 18~25μm | ≤800μm | |
热膨胀系数 | ≤5×10-6/℃ | ≤5×10-6/℃ | ≤5×10-6/℃ | GB/T 3074.4-2003 石墨电极测定方法石墨电极热膨胀系数（CET)测定方法 |
弹性模量 | 10~12GPa | 10~12GPa | 10~12GPa | GB/T 3074.2-2008 石墨电极弹性模量测定方法 |
2、石墨的电阻率
2.1、石墨的电阻率范围
种类 | 电阻率（μΩ.m） |
等静压石墨 | 9~15 |
模压三高石墨 | 7~13 |
振实成型细颗粒石墨 | 5~9 |
2.2、电阻率与粒度、密度、石墨化度、灰分的关系
影响因素 | 电阻率 |
粒度 | 反比 |
密度 | 反比 |
石墨化度 | 反比 |
灰分 | 另外，通过增加不同的成分，可以很大程度调节石墨的电阻率 |
2.3、电阻率与温度的关系
一般，根据热平衡法计算设备的功率都是设备在最高温度时的功率；
如用户对升温的速率要求比较快，则需要计算最快升温速率时的功率输出；
所以我们需要了解的是在工作中的发热体真实电阻。但由于很多厂家都没有高温时测量发热体真实电阻的能力，所以，一般进行检验时检测的为低温时的电阻，再根据电阻温度系数去推断。
图1：国产石墨电阻温度关系曲线
图2：进口石墨电阻温度关系曲线
3、石墨的表面负荷
3.1、石墨的表面负荷由温度决定。建议当温度在1000℃左右连续运行时，加热区表面积的电负荷不超过35W/cm2；在短期运行时，加热元件的电负荷可在50W/cm2或以上；当温度超过1000℃时，电负荷应降低。
3.2、石墨的表面负荷与温度的关系
图3：石墨表面负荷与温度关系曲线
4、石墨的强度
4.1、石墨强度分析
石墨的强度越好，使用寿命越长，但成本越高，应根据石墨在不同炉型、不同部位的使用特点，合理的选择，以求达到最经济合理的设计。
4.2、加热元件在2600℃以下，随着温度的升高，其机械强度会进一步增强，然而，当温度超过2600℃时，其机械强度便会逐渐下降。
4.3、温度对石墨强度的影响
图4：石墨的强度温度曲线
4.4、强度对发热体结构设计的影响
A、从石墨的力学性能指标可以看出，石墨的抗压强度远好于石墨的抗折强度，所以，在布置石墨发热体时，尽量采用竖直向上的布置，可以改善石墨的受力环境，延长石墨寿命；
B、由于石墨有一定的热膨胀量和较大的弹性模量，而本身强度不是太好，所以，一定要充分考虑石墨的热膨胀；
C、悬挂件比承重件好；
D、一端自由延伸比两端同时约束好；
E、两端同时约束时一定要考虑至少一端有膨胀间隙；
5、化学性能
5.1、石墨抗氧化性能与现象
石墨在大气中450℃开始剧烈氧化，氧化后在发热体表面出现白色粉末；
氧化的部位往往出现在炉内充气口和排气口。
5.2、石墨的氧化性与炉内真空度的关系
A、真空度越高，越不容易氧化；
B、真空度较高时仍然氧化，则可能出现“过堂风”，应检测设备的压升率；
C、中低温设备的氧化程度比高温设备氧化更严重；
5.3、石墨与其它气体的反应温度
气体种类 | 明显反应温度 |
氮气（干燥纯净） | 3000℃ |
氢气 | 1100℃ |
氯气 | 2800℃ |
6、石墨的沸点与升华
6.1、石墨的溶点3652℃,沸点4827℃
6.2、石墨在不同温度下的蒸气压
图5：石墨在不同温度下的蒸汽压
6.3、如何抑制石墨的升华
加热元件可达到的温度取决于其真空度。由于在2200℃以上石墨会发生升华，因此不建议真空下（＜10-3Pa）在超过2200℃的的温度使用，但可以在3000的非氧化性，还原性、或保护性惰性气氛中使用。
7、石墨的膨胀
7.1、石墨的膨胀系数
石墨的膨胀系数较小，一般为2×10-6Pa~6×10-6Pa之间，密度越大，膨胀系数越大，密度越小，膨胀系数越??；粒度越大，膨胀系数越小，粒度越小，膨胀系数越大。
7.2、石墨的膨胀系数与温度的关系
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