石墨板就是纖維狀的炭。但是,元素碳即使加熱到3000℃也不會(huì)熔化,不行能把元素碳熔化為液體后再抽成絲,因而石墨板不是從煤、焦炭等材料制成的,而是用許多含炭量高的人造纖維或合成纖維在特定的工藝條件下炭化而得到的。早在十九世紀(jì)的八十年代,就已發(fā)明用天然纖維在高溫下炭化而得到石墨板(既耐高溫又能導(dǎo)電),曾運(yùn)用于其時(shí)白熾燈泡中的燈絲。二十世紀(jì)的五十年代發(fā)明晰用粘膠絲(如銅氨人造絲,醋酸人造絲)及聚丙烯腈長(zhǎng)絲(一種用丙烯腈為材料,在引發(fā)劑效果下聚合后抽成的長(zhǎng)絲)炭化后出產(chǎn)的石墨板,并供應(yīng)于商場(chǎng)。
初期出產(chǎn)的石墨板功能不高,其抗拉強(qiáng)度只需3500公斤/cm2左右,彈性模量只需0.28-0.63x106公斤/cm2左右。因而,它只能用作耐高溫的保溫材料或耐腐蝕的過濾材料,也有一些作為機(jī)械工業(yè)上的密封材料及吸收電波的材料。近年來航空工業(yè)及宇航技能飛速發(fā)展,需求具有如下特性的一種結(jié)構(gòu)材料:它十分堅(jiān)硬又很輕,抗拉強(qiáng)度很高,熱膨脹系數(shù)很小,熔點(diǎn)很高而耐腐蝕功能出色。在挑選運(yùn)用各種結(jié)構(gòu)材料時(shí),遭到特別注意的是材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量,因而石墨板及其復(fù)合材料得到了注重。
在六十年代,許多國(guó)家對(duì)石墨板的出產(chǎn)工藝及材料挑選進(jìn)行了很多的研究工作,特別是1964年英國(guó)用聚丙烯腈長(zhǎng)絲為材料,采用在2000℃左右低溫預(yù)氧化一同加張力的方法,初次制出了抗拉強(qiáng)度為21000公斤/cm2的高強(qiáng)度、高模量石墨板,并由接連屯產(chǎn)過渡到接連出產(chǎn)(接連預(yù)氧化及炭化),使石墨板的產(chǎn)量及質(zhì)量躍進(jìn)了一大步。作為一種發(fā)展中的新材料,石墨板越來越閃現(xiàn)其重要性。高模量石墨板在這幾種材猜中的比彈性模量,而高強(qiáng)度石墨板則是這幾種材猜中的比抗拉強(qiáng)度,S-玻璃纖維雖然抗拉強(qiáng)度較高但彈性模量較小,只需硼纖維能夠與石墨板比美,但硼纖維是以鎢絲作芯材,硼沉積在鎢絲上,因而本錢貴重。 二、碳纖維結(jié)構(gòu),石墨板的結(jié)構(gòu)當(dāng)然與材料纖維有很人的區(qū)別。經(jīng)過高溫炭化得到的石墨板幾乎由純碳組成,并且是由二維有序的亂層石墨熔煉坩堝微晶所組成的多晶體。
它與完好的石墨晶體有兩個(gè)重要的差別:
1.石墨晶格中相鄰層距離為3.354A,而構(gòu)成石墨板的微晶石墨其晶格中的層距離稍大,為3.42A。
2. 在石墨晶格中,各層之間都有一定的空間相對(duì)方位(如呈ABAB結(jié)構(gòu)或A - BCABC結(jié)構(gòu))。但是,在石墨板的微晶中,層與層之間相對(duì)方位不規(guī)則,即短少三維有序 性,所以稱為亂層石墨結(jié)構(gòu)。具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的石墨板微品厚度及長(zhǎng)度隨炭化工藝條件的不同而異。例如,La為10-100A,相當(dāng)于3-30層片,La一般為20-60A,也行長(zhǎng)達(dá)250A的。微晶再集合成一定長(zhǎng)的單元,稱為小纖維,這是組成石墨板的二級(jí)單元,小纖維聚集成石墨板。石墨板的多晶結(jié)構(gòu)的理想化模型沁意圖。