碳素思考题及答案

1) 筛分分析：利用筛孔大小不同的一套筛子进行粒度分析，对于力度小于100mm，而大于0.043mm的物料，一般采用筛分分析测定粒度组成。筛分法设备简单，且易于操作。一般干筛至100μm，再细的可用湿筛。近代用光刻电镀技术制造的微目筛能更精确地测到10μm的细粒。该法的缺点是受颗粒形状影响很大。

2) 水力沉降分析：该法是利用不同尺寸的颗粒在水中的沉降速度不同而分成若干级别。它不同于筛分法，因为筛分测得的是几何尺寸，水力沉降分析法测得的是具有相同沉降速度的当量球径。此法适用于50μm以上粒度范围的测定。

3) 显微镜分析：主要用来测定微细物料，可以直观测颗粒尺寸和形状，常用于检查特殊产品或校正分析结果，其最佳测量范围为0.5~20μm之间。

15. 炭素生产的固体原料中大颗粒、中颗粒和细粉各起什么作用，如何影响生产工艺和产品性能？

答：①大颗粒：在生制品中起骨架作用。适当提高大颗粒的尺寸和数量，有利于改善制品的抗热震性和降低线膨胀系数，可以减少焙烧的废品率，但大颗粒过多，则制品的孔隙率增加，使制品体积密度和机械强度下降。

②中颗粒：填充大颗粒间的空隙。大颗粒49%，细粉51%，中颗粒25%时堆积密度最大。 ③细粉料：填充大颗粒、中颗粒间的间隙。适当的增加细粉的使用比例，有利于提高制品的体积密度，减少孔隙率，增加机械强度，产品加工后表面光洁度也较高，但是粉料过多时，则易于导致在焙烧及石墨化过程中产生裂纹，使制品的废品率增加。此外，粉料比例的增加，相应粘结剂用量增加，当粘结剂用量超过一定数量后，就会导致制品孔隙率增加，而机械强度降低。

16. 简述如何保证混捏质量？

答：为了得到结构均匀并具有一定塑形的糊料，并使糊料质量稳定，必须控制以下四个方面以保证混捏质量。

①混捏温度 ：混捏温度过低，沥青粘度增大，流动性变差，沥青对干料的浸润性不好，造成混捏不均，甚至夹干料，导致糊料塑形变差，不适宜成型，造成生块结构不均、疏松；随着温度的提高，糊料塑形变好，但温度过高，沥青发生氧化反应，轻馏分分解挥发，糊料老化，也不利于混捏成型。

②混捏时间 ：混捏时间过短，则糊料混捏不均，沥青对干料浸润渗透不够，甚至会出现夹干现象，糊料塑形变差；适当延长混捏时间，可以是糊料混捏更均匀，塑形变好，但时间过长，对其均匀程度提高甚微，反而使干料组成发生变化，粘结剂氧化程度加深，混捏质量变差。 ③干料的性质：干料表面粗糙，气孔多，则粘结剂能很好的粘附在颗粒表面，糊料的塑性好；干料颗粒组成相差越大，则混合均匀性、密实性越高。

④粘结剂的用量与性质：粘结剂用量过少，则糊料发干，干料颗粒表面不能形成均匀涂布沥青薄膜，糊料的塑性变差；随着其用量的增大，糊料的流动性变好，均匀性提高，糊料塑性变好，但过多则会使生坯弯曲变形，焙烧废品率增大。 17. 简述沥青改性的方法及特点。

答：国内改质沥青生产方法主要采用高温热聚法(间歇加压式、连续常压式和常压间歇式)和闪蒸法二种工艺。

改质沥青作为粘结剂的特点 ：

①结焦残炭值高，焙烧时可生成更多的粘结焦，制品的机械强度高。 ②软化点高，夏天运输和远距离运输问题易于解决。

③混捏成型过程中沥青逸出的烟气较少，可减轻环境污染。 ④沥青熔化温度、混捏温度高于中温沥青。

⑤改质沥青含有较多的树脂和次生QI，具有较高的热稳定性，有利于提高炭和石墨制品的质量。

18. 什么是颗粒的自然取向性？举例说明在炭素材料生产中如何利用颗粒的自然倾向性？ 答：一切可以自由移动的颗粒都具有以其较宽，较平的一面垂直于作用力的方向的性能，也就是说颗粒能自然地处于力矩最小的位置，这称为颗粒的自然取向性。

举例：糊料及压粉的颗粒都不是球形的，在成型时的塑形变形中，它的延伸方向与自然取向是一致的，造成结构上的向异性。因此，不同的成型方法所得到生制品内颗粒排列方向与各向异性比也是不同的。挤压成型法制得的生制品，其颗粒沿平行于挤压力方向排列，各向异性比大；模压成型制得的生制品，其颗粒垂直于模压力方向排列，各向异性较小；而等静压成型的生制品在结构上各向同性。

19. 简述凉料的目的及控制凉料程度的方法。

答：经过混捏好的糊料，一般温度达到130到140°C，并含有一定数量的气体。凉料的目的是使糊料均匀地冷却到一定的温度，并充分排出夹在糊料中的烟气。目前多数挤压机配备了圆盘式凉料级。比较先进的有圆筒式凉料机。

控制凉料程度的方法：糊料要凉到什么程度再加入挤压机料室，需视粘结剂用量，混捏出锅温度及糊料的塑性状态等情况而定。如粘结剂用量大，糊料的温度比较高，凉料时间应该长一些。反之，则凉料时间就短一些。凉料温度的高低及凉料的均匀程度对压型的成品率有很大关系。

20. 简述影响挤压制品质量的因素。 答： 1.糊料塑性。糊料塑性的好坏直接影响着挤压制品的成品率。塑性好的糊料易于成型，且糊料间粘结力强，糊料与模壁间摩擦力小，如上所述，可在较小挤压压力下把生制品挤出，其弹性后效小，产品不易开裂。若糊料塑性不好，散渣，糊料间粘结性差，加压时，糊料与模壁间摩擦力大，必须加大挤压压力，使生制品弹性后效大，较易出现裂纹。

2.温度制度。A.下料温度 要选择适宜的下料温度。下料温度过低，糊料发硬，使挤压压力增高；下料温度过高，糊料间粘结力减弱，易产生裂纹。B.料室温度 糊料下到料室后，要经过捣固、预压和挤压三个阶段，糊料在料室中停留时间较长，所以会发生糊料和料室内壁间的热交换作用。若料室温度低于下料温度，表层糊料就把热量传给料室，使糊料本身温度降低，可塑性变差。若料室温度太高，会使糊料表层温度升高，降低了表层糊料的粘结力，使裂纹废品率增多。C.模嘴温度 合适的模嘴温度可使生制品表面光滑，减少裂纹废品。模嘴温度过高，会使糊料表面变软，减小糊料间粘结力，容易产生横裂纹和生制品接头断裂。模嘴温度太低，会增大糊料和模壁间摩擦力，使糊料内外层压制速度相差太大，产生分层，并导致生制品表面出现麻面。

3.糊料状况与预压。糊料内各部分的温差不应超过4℃，糊料内的干料、油块。硬块等都

应除去。这样才能使糊料在压型时正常流动，保证生制品顺利压出。

预压能使糊料紧密，提高制品质量。用同一配方的糊料，经过预压和不经过预压所挤压出同规格生制品的物理机械性能有差别。

4.模嘴的选择。压制品的成品率及质量和模嘴的形状及尺寸有着密切的关系。A.模嘴出口的尺寸 糊料挤出模嘴后产生弹性后效，生制品截面积有所增大，但生制品在焙烧和石墨化过程中又有所收缩，产品机械加工时也需要留有加工余量，因此，模嘴出口端内壁尺寸要比成品所要求的尺寸略大，一般应大5~10%。B.模嘴的长度 挤压直径或截面大的制品时，模嘴应当长一些，这不仅为了使糊料受挤压过程缓和一些，减少生制品中心部位与表面部位的质量差异，也是为了使生制品经过直线定型段的时间长一些，使压出后制品的弹性后效小一些。C.模嘴变形部分的圆弧半径 圆弧半径愈小，糊料通过挤压模嘴的阻力愈大。在挤压小直径制品时，由于料室直径和模嘴口直径的比值大（即挤压比大），圆弧半径比较小，糊料通过模嘴的阻力大，所需挤压压力大。当挤压大直径制品时，挤压比小，圆弧半径大，变形部分长，糊料通过模嘴阻力小，所需挤压压力小。但若圆弧半径过大，则将会失去挤压作用而影响制品的质量。

另外，制造模具时还应要求内壁表面光滑，模嘴结构的各部分对称性好，过渡部位圆滑，平整。

21. 简述焙烧过程的四个阶段中制品发生的物理化学变化。

答：1）低温预热阶段（明火温度约350℃，制品温度在200℃左右）

当生制品加热到200℃时，粘结剂开始软化，生制品呈现塑性状态，但还没有发生明显的化学和物理化学变化，主要排出吸附水。这时，由于制品体内的温差和压力差，粘结剂产生迁移。这阶段的升温速度要快一些。

（2）粘结剂成焦阶段（明火温度350~800℃，制品温度200~700℃）

在这阶段，粘结剂开始分解，排出大量挥发分，与此同时，分解产物进行缩聚，形成中间相。当制品温度达到450~500℃时，形成半焦。再进一步加热，半焦转变为粘结焦。为了提高沥青析焦率，改善制品理化性能，该阶段必须均匀缓慢地升温。若升温过快，挥发分急剧排除，制品内外温差加大，引起热应力，就会导致制品裂纹的生成。此外，在这阶段排出的大量挥发分充满着整个炉室，这些气体在炽热的制品表面分解，而产生固体碳，沉积在制品的气孔和表面上，提高了产焦虑，并使制品的孔隙封闭，强度提高。

（3）高温烧结阶段（明火温度800~1100℃，制品温度700~1000℃）

制品达到700℃以上，粘结剂焦化过程基本结束。为了进一步提高制品的理化性能，还要继续升温到900~1000℃。这时，化学过程逐渐减弱，内外收缩逐渐减少，而真密度、强度、导电性都增加。在高温烧结阶段，升温速度可以提高一些，在达到最高温度后，还要保温15~20h。

（4）冷却阶段

冷却时，降温速度可以比升温速度稍快一些，但由于制品热导率的限制，制品内部降温速度小于表面的降温速度，从而从制品中心到表面形成大小不同的温度梯度及热应力梯度。若热应力过大，会引起内外收缩不均匀而产生裂纹，所以降温也要有控制地进行。 22. 简述影响焙烧制品质量的因素。

答：焙烧制品的质量不仅与配料、混捏、压型等工序有关，而且受到焙烧工序的炉内气氛、压

力、升温制度、最终温度、填充料性质以及装炉方法等多种工艺因素的影响。

（1）焙烧体系中气氛的影响：若填充料和炉室上部空间粘结剂分解生成的气体浓度低，则分解气体从生制品中向外扩散的速度快，促进了粘结剂分解反应的进行，使粘结剂的析焦量相应减少。同时，粘结剂氧化，有利于析焦量增加，但受氧侵入的生制品会形成硬壳型废品。因此要使制品与氧气隔绝，如及时修补炉墙，保证填充料覆盖厚度等。

（2）压力的影响：加压焙烧可以促进缩聚反应，既可以提高析焦量，又有利于中间相小球体的生成。同时加压焙烧必然是一个密闭系统，可以防止生制品氧化，避免造成硬壳型裂纹。

（3）加热制度的影响：升温速度较慢时，粘结剂有足够时间进行分解及缩聚，所以析焦量增加，增大制品的密度，减少裂纹产生，物理机械性能也有所提高。

（4）填充料的影响：填充料的吸附性越强，挥发分吸收越多，粘结剂的析焦量就越小，焙烧后失重就越大。

23. 简述加压焙烧的方法。为什么加压焙烧可以提高产品性能？ 答：（1）加压焙烧有多种形式，如气体加压焙烧和气体压力与机械压力同时加压的焙烧。 （2）经过研究表明制品在一定压力下加热，可以大大缩短焙烧周期，即使以很高速度升温，也很少导致制品出现裂纹。而且，加压焙烧有利于促进粘结剂的缩聚反应，可以提高粘结剂的析焦率。另外，加压焙烧避免了常压焙烧时生成的多角形气孔而产生应力集中的现象，有利于提高产品密度及强度。

24. 简述石墨化的目的和方法。

答：目的：1）提高制品的导电性和导热性；2）提高制品的耐热冲击性和化学稳定性；3）改善制品的润滑性；4）排除杂质，提高制品的纯度。

方法：使用石墨化炉，按加热方式有直接加热炉和间接加热炉两种。 25. 简述石墨化过程的三个阶段中制品发生的物理化学变化。 答：三个阶段。

26. 简述石墨化及催化石墨化机理。 答：（1）石墨化机理：

1) 碳化物转化机理：炭物质的石墨化首先通过与各种矿物质形成碳化物，然后再在高温

下分解为金属蒸汽和石墨。这些矿物质在石墨化过程中起催化剂的作用。碳化物转化理论对分解石墨来说是正确的，但对非石墨质碳的石墨化来说，就不合实际了； 2) 再结晶理论：

a) 炭素原料中存在极小的石墨晶体，在石墨化过程中，由于热的作用，这些晶体通过

碳原子的唯一而焊接在一起成为较大的石墨晶体

b) 石墨化时有新晶体形成，新晶体在原晶体的接触界面上吸收外来碳原子而生成，且

保持了原晶体的定向性

c) 石墨化度与晶体的生长有关，主要取决于石墨化温度，维稳时间的影响有限 d) 石墨化的难易与炭材料的结构性质有关

e) 石墨晶体的尺寸随温度升高而增大，只是数量上的变化而已 3) 微晶成长理论：石墨化原料的母体物质都是稠环芳烃化合物这些化合物在热的作用下，