炭素工藝學(xué)

前言

炭素材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能、高溫力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，它作為功能材料和結(jié)構(gòu)材料越來(lái)越受到人們的重視，并已在電工電子、冶金、機(jī)械、化工、核能、軍工和宇航等部門(mén)得到廣泛應(yīng)用，乃至應(yīng)用于家用電器、體育和醫(yī)療器材，特別是在某些尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中占有重要的地位。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求不斷提高，冶金、機(jī)電、核能和宇航工業(yè)的發(fā)展，對(duì)炭素工業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。近20年來(lái)，我國(guó)炭素工業(yè)得到迅猛發(fā)展，特別是煉鋁工業(yè)的大發(fā)展，對(duì)鋁用炭素產(chǎn)品的需求量大大提高。目前，我國(guó)各類(lèi)炭素產(chǎn)品的總產(chǎn)量已位居世界第一位，但是，產(chǎn)品性能和規(guī)格與世界上發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，特別是核石墨等大規(guī)格高性能的超細(xì)結(jié)構(gòu)炭石墨制品。因此，我國(guó)要從炭素大國(guó)持續(xù)發(fā)展成為炭素強(qiáng)國(guó)，就要總結(jié)國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，研究、消化、吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，用來(lái)指導(dǎo)我國(guó)的炭素生產(chǎn)，以提高我國(guó)的炭素生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)，提高我國(guó)炭素產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，這是各企業(yè)都很明確的。故各企業(yè)都在大力培養(yǎng)炭素專(zhuān)業(yè)技術(shù)與管理人才，且炭素行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)與管理人員及生產(chǎn)操作人員，都迫切要求提高自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技術(shù)水平，以適應(yīng)炭素工業(yè)發(fā)展的需要。然而，有關(guān)炭素專(zhuān)業(yè)的理論與技術(shù)方面的書(shū)籍卻極少，不能滿(mǎn)足廣大讀者的需要。湖南大學(xué)是全國(guó)唯一設(shè)有炭素專(zhuān)業(yè)的學(xué)校（能培養(yǎng)本科生、碩士生和博士生，并設(shè)有博士后流動(dòng)站），應(yīng)該為我國(guó)的炭素工業(yè)的發(fā)展多做貢獻(xiàn)，為此目的，作者編著此書(shū)。

內(nèi)容概要

　　《炭素工藝學(xué)》是在參考了大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)并總結(jié)了作者30多年教學(xué)、科研及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上寫(xiě)成的，系統(tǒng)地講述了炭石墨材料從原材料、半成品到成品的加工方法和過(guò)程的工藝原理；炭和石墨以及炭素材料的形成、結(jié)構(gòu)和性能。內(nèi)容豐富、資料與信息量大?！短克毓に噷W(xué)》力求工藝?yán)碚撆c生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合、微觀結(jié)構(gòu)原理與宏觀檢測(cè)指標(biāo)相結(jié)合，以適應(yīng)不同知識(shí)和技術(shù)水平的讀者需要。《炭素工藝學(xué)》可作為炭素材料專(zhuān)業(yè)的教科書(shū)和企業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)教材；也可供冶金、機(jī)械、電機(jī)、化工和有關(guān)部門(mén)從事炭素材料的生產(chǎn)、科研和使用的科技人員參考。

書(shū)籍目錄

緒論1 炭與石墨的生成及其結(jié)構(gòu)1.1 碳的存在形式1.2 碳原子結(jié)構(gòu)及其價(jià)鍵1.3 碳的同素異構(gòu)體及其晶體結(jié)構(gòu)1.4 炭石墨材料的結(jié)構(gòu)1.5 炭與石墨材料結(jié)構(gòu)的x射線衍射測(cè)量1.6 炭石墨材料的特性與應(yīng)用2 炭與石墨及金剛石的生成機(jī)理2.1 炭的生成與炭化的分類(lèi)2.2 有機(jī)物炭化機(jī)理2.3 瀝青的中間相的生成與結(jié)構(gòu)2.4 無(wú)定形炭向石墨轉(zhuǎn)化的機(jī)理2.5 石墨向金剛石轉(zhuǎn)化的機(jī)理2.6 納米碳管的生成機(jī)理3 炭石墨材料的分類(lèi)與生產(chǎn)工藝流程3.1 炭石墨材料及制品的分類(lèi)和炭素廠設(shè)計(jì)原則3.2 炭石墨材料的生產(chǎn)工藝流程3.3 炭纖維及炭纖維復(fù)合材料生產(chǎn)工藝流程3.4 石墨層間化合物的合成方法3.5 熱解石墨的制備方法3.6 炭石墨材料的生產(chǎn)特點(diǎn)與環(huán)境保護(hù)4 炭素固體原材料4.1 炭素固體原材料的種類(lèi)及其用途4.2 石油焦的生成及其結(jié)構(gòu)和性能4.3 瀝青焦的生成與性能4.4 無(wú)煙煤的形成與性能4.5 天然石墨的形成與性能4.6 炭黑的生成與性能4.7 金屬粉末的制備及其性能4.8 冶金焦及其他原料和輔料5 黏結(jié)劑與浸漬劑5.1 黏結(jié)劑的作用與種類(lèi)5.2 煤焦油與煤瀝青的生成與質(zhì)量指標(biāo)5.3 煤瀝青的組成分析5.4 煤瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)55黏結(jié)劑的黏結(jié)機(jī)理5.6 煤瀝青的分子結(jié)構(gòu)5.7 合成樹(shù)脂黏結(jié)劑5.8 浸漬劑6 炭素固體原料的煅燒工藝6.1 概述6.2 焦炭的元素組成與煅燒溫度的關(guān)系6.3 焦炭在煅燒時(shí)結(jié)構(gòu)的變化6.4 焦炭在煅燒時(shí)電磁性能的變化6.5 焦炭的煅燒溫度對(duì)其產(chǎn)品性能的影響7 原料的粉粒制備原理與粉粒特性7.1 固體原料粉碎的目的與原理7.2 炭素原料粉末的物理特性7.3 原料粉末的工藝特性7.4 粉末粒度的測(cè)量方法7.5 粉粒制備的工藝流程8 炭石墨材料的生產(chǎn)配方原理與計(jì)算8.1 配方的目的與內(nèi)容8.2 原料組成的理論基礎(chǔ)8.3 炭素固體原料種類(lèi)的選擇8.4 金屬一石墨制品原料的選擇8.5 炭石墨材料的固體原料的粒度組成8.6 黏結(jié)劑的選擇及其加入量8.7 黏結(jié)劑與干料的相互作用原理8.8 原料配方的計(jì)算方法8.9 配料方法與配料操作9 混合與混捏工藝原理9.1 混合與混捏的定義及其目的9.2 混合與混捏原理9.3 粉末混合工藝及影響混合質(zhì)量的因素9.4 混捏工藝9.5 熱輥壓工藝10 炭石墨材料的成形工藝10.1 成形方法與成形工藝的改進(jìn)10.2 壓制成形過(guò)程與機(jī)理10.3 模壓過(guò)程中的受力分析10.4 模壓壓坯密度分析10.5 模壓工藝與操作10.6 擠壓成形原理10.7 影響擠壓過(guò)程的因素10.8 擠壓力計(jì)算10.9 擠壓工藝及產(chǎn)生廢品的原因10.1 0振動(dòng)成形原理與工藝10.1 1等靜壓成形原理與工藝11 焙燒工藝11.1 焙燒的目的與焙燒過(guò)程11.2 炭粉的燒結(jié)機(jī)理11.3 焙燒過(guò)程中煤瀝青的熱解與黏結(jié)劑焦的形成11.4 煤瀝青的黏結(jié)性能11.5 升溫速度對(duì)焙燒過(guò)程的影響11.6 焙燒體系中的氣氛11.7 壓力對(duì)焙燒過(guò)程的影響11.8 炭材料的粒度組成和性質(zhì)對(duì)產(chǎn)焦率的影響11.9 焙燒時(shí)制品的收縮11.1 0焙燒過(guò)程中填充料的作用11.1 1焙燒的工藝制度11.1 2焙燒工藝操作11.1 3焙燒新工藝11.1 4焙燒廢品分析12 炭石墨材料的密實(shí)化工藝12.1 密實(shí)的目的與分類(lèi)12.2 浸漬原理12.3 浸漬工藝及其效果12.4 表面處理與涂覆13 石墨化工藝13.1 石墨化的目的與方法13.2 石墨化機(jī)理13.3 石墨化過(guò)程中的熱力學(xué)13.4 石墨化過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)13.5 石墨化過(guò)程與石墨化程度13.6 影響石墨化過(guò)程的因素13.7 石墨化爐傳熱原理與溫度分布13.8 石墨化工藝的制訂原理13.9 石墨化的生產(chǎn)工藝操作13.1 0石墨化廢品類(lèi)型及其產(chǎn)生原因13.1 1石墨化爐的電氣控制與操作13.1 2石墨化爐的物料與熱電平衡計(jì)算13.1 3催化石墨化的機(jī)理與工藝13.1 4石墨提純工藝14 炭石墨制品的機(jī)械加工工藝14.1 炭石墨制品的機(jī)械加工概述14.2 炭石墨制品的切削原理14.3 切削刀具的材料與結(jié)構(gòu)14.4 切削工藝與加工測(cè)量15 石墨與炭素材料的熱學(xué)性質(zhì)15.1 固體的熱容量與熱力學(xué)函數(shù)15.2 炭和石墨的比熱容與碳狀態(tài)圖15.3 炭與石墨的熱導(dǎo)率15.4 炭石墨材料的熱膨脹和耐熱沖擊性16 炭與石墨的電磁性質(zhì)16.1 晶體的能帶理論基礎(chǔ)16.2 炭與石墨晶體中的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)16.3 石墨晶體的布拉格反射與布里淵區(qū)16.4 炭一石墨半導(dǎo)體及其載流子的統(tǒng)計(jì)分布16.5 炭石墨材料的導(dǎo)電機(jī)理16.6 炭石墨材料的電流效應(yīng)……17 石墨與炭素材料的晶格缺陷18 石墨與炭素材料的力學(xué)性質(zhì)19 石墨與炭素材料的化學(xué)性質(zhì)20 炭石墨材料的檢測(cè)技術(shù)

章節(jié)摘錄

插圖：1.6.1 炭石墨材料優(yōu)良的電傳導(dǎo)性及其應(yīng)用石墨能夠?qū)щ?，是由于碳原子有兩個(gè)自旋方向相同的2_P電子，在基態(tài)時(shí)處于價(jià)帶上，當(dāng)它受激發(fā)后，便躍遷到上面空著的導(dǎo)帶上去，同時(shí)在價(jià)帶上便留下數(shù)量相同的空穴。電子帶負(fù)電荷，空穴帶正電荷，當(dāng)在電場(chǎng)作用下，電子和空穴各朝相反的方向運(yùn)動(dòng)，因而對(duì)電氣傳導(dǎo)作出貢獻(xiàn)。由于石墨晶體中碳原子排列比較緊密，各個(gè)碳原子2P帶上電子的共有化程度深，因而價(jià)帶較寬，能和上面導(dǎo)帶作輕微交疊，它們之間的能隙寬度可降至0.01ev，故只要價(jià)帶上的電子受到輕微激發(fā)便可躍遷到導(dǎo)帶上去，電導(dǎo)率即增高，故炭素材料的電阻隨溫度和它的石墨化程度的提高而降低。一般單晶石墨層面方向的電阻系數(shù)，而多晶石墨材料層面方向的電阻系數(shù)。炭石墨材料雖然是非金屬材料，但因它具有良好的電傳導(dǎo)性，而被認(rèn)為是一種共價(jià)半導(dǎo)體和金屬的中間物——半金屬。石墨具有比某些金屬還要好的熱傳導(dǎo)性、電傳導(dǎo)性，同時(shí)具有遠(yuǎn)較金屬為低的線脹系數(shù)、很高的熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性，這就使它在工程應(yīng)用上具有雙重價(jià)值，可以在某些條件下當(dāng)作金屬使用，而在另一些條件下當(dāng)作陶瓷使用。炭石墨材料廣泛應(yīng)用于電工、冶金方面作為電氣零件和導(dǎo)電電極，如半導(dǎo)體元件。當(dāng)純凈石墨摻雜不同原子價(jià)的元素時(shí)，可形成半導(dǎo)體，摻雜三價(jià)硼元素為P型半導(dǎo)體；摻雜五價(jià)磷或砷元素為P型半導(dǎo)體。在電工方向還有電子元件、電機(jī)電刷、電氣電觸點(diǎn)、電火花加工等等。在冶金方面可作為電爐電極、礦熱爐電極、煉鋁用陽(yáng)極和陰極等。1.6.2 炭石墨材料優(yōu)良熱傳導(dǎo)性及其應(yīng)用石墨的導(dǎo)熱是由于石墨存在傳導(dǎo)熱的載流子（傳導(dǎo)電子或空穴）的作用和晶格振動(dòng)。多數(shù)金屬靠傳導(dǎo)電子（自由電子）傳導(dǎo)熱，金屬以外的非電導(dǎo)體則主要是以晶格振動(dòng)傳導(dǎo)熱。而炭石墨材料兼有二者的作用。石墨的熱導(dǎo)率與其電導(dǎo)率成一比例。因而，石墨化程度高的材料的電阻系數(shù)低，熱導(dǎo)率高；反之石墨化程度低或難石墨化的炭（如炭黑、木炭等）電阻系數(shù)高，熱導(dǎo)率低。炭素材料良好的導(dǎo)熱性與其優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性相結(jié)合，可以制造與酸堿介質(zhì)接觸的熱交換器，以及其他的化工設(shè)備。

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《炭素工藝學(xué)》為冶金工業(yè)出版社出版發(fā)行。

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