石墨密封材料的热学性质(4-3)
③热膨胀系数：固体材料的长度或体积随温度升高而增大的现象称为热膨胀。实验证明，若物体在温度为0℃时，长度等于L0，当温度升高到t℃时，物体的伸长量ΔL与原来的长度L0及升高的温度t成正比，也即：
ΔL=αL0t
式中α——固体的热膨胀系数。
与许多金属材料相比，石墨材料的热膨胀系数是比较小的。例如，铜在0～100℃之间热膨胀系数为17×10-61/℃，铝在0～100℃之间热膨胀系数为23.6×10-61/℃。一般挤压成型的石墨制品在20～200℃之间，沿挤压方向测得平均热膨胀系数为1～2×10-61/℃，垂直于挤压方向为2～3×10-61/℃，当温度扩大到20～1200℃时，石墨制品的热膨胀系数有所增加，沿挤压方向提高到2～3×10-61/℃，垂直于挤压方向达3～4×10-61/℃。几种不同石墨在室温下测得的热膨胀系数如表3所示。室温下测定的石墨制品的热膨胀系数与任意温度下的热膨胀系数有一定关系。实验以20～100℃温度区间作为热膨胀系数基准，只要加上一个附加数即可算出不同温度时的热膨胀系数，并且对任何测量方向都适用。这个随温度上升的热膨胀系数附加数如下：
|
最终温度 |
附加数，×10-71/℃ |
最终温度 |
附加数，×10-71/℃ |
|
100 |
0 |
800 |
11.4 |
|
200 |
2.0 |
900 |
12.3 |
|
300 |
4.0 |
1000 |
13.2 |
|
400 |
6.0 |
1500 |
17.2 |
|
500 |
7.7 |
2000 |
21.2 |
|
600 |
9.2 |
2500 |
25.2 |
|
700 |
10.4 |
|
|
石墨材料热膨胀系数的测定方法很多，最常用的在石英示差膨胀仪法和比长仪直测法。石英示差膨胀仪法所用的石英示差膨胀仪主要由膨胀计、加热炉及测温系统三部分组成。经过精确加工的石墨试样固定在石英试样托及石英支承管之间，试样中心紧贴石英拉杆，石英拉杆顶部通过浮动托与千分表相接触，石英示差膨胀仪放入高温炉内，在指定的温度范围内加热，石墨试样的膨胀量可由千分表读出。
表 石墨制品在室温时的热膨胀系数
|
石墨制品 |
热膨胀系数，×10-61/℃ |
假密度g/cm3 |
|
∥ |
⊥ |
|
细颗粒挤压石墨 |
大直径 |
2.22 |
3.77 |
1.72 |
|
中直径 |
2.22 |
3.77 |
1.72 |
|
小直径 |
1.35 |
|
1.68 |
|
模压高强石墨 |
2.19 |
3.42 |
1.73 |
比长仪直测法由高温加热炉及比长仪两部分组成。比长仪为精确测量长度的光学仪器。在比长仪的载物台上固定一个经过改装过的双目实体显微镜，仔细观察试样上两个事先刻好的明确标记，试样直接加热，用光学高温计通过石英测温窗测量测样温度，当试样温度稳定时，再用比长仪测量膨胀量，为防止试样在高温时氧化，炉内应通以惰性气体，一般用氮气，在整个测定过程中氮气不能中断。
石墨制品的热膨胀系数与原料性质、工艺条件等因素有关。表4所示的是使用不同石油焦制成的石墨材料的不同热膨胀系数。
表4 不同石油焦制成的石墨制品的热膨胀系数
|
原料 |
热膨胀系数，×10-61/℃（平行于挤压方向） |
|
石油焦A |
3.11 |
|
石油焦B |
4.03 |
|
石油焦C |
2.89 |
|
石油焦D |
3.90 |
|
石油焦E |
4.10 |
石墨原料的煅烧温度与石墨制品的热膨胀系数也有一定的关系。随着煅烧温度的升高，一直到1300℃，石墨制品的热膨胀系数逐渐下降到最低点，但进一步提高煅烧温度，其热膨胀系数又有所回升。
石墨的热膨胀系数还与石墨的假密度有一定的关系，假密度越小（即孔隙度越大），热膨胀系数就越小。表5所示的数据表明了石墨经多孔浸渍后测定的假密度与热膨胀系数的关系。
表5 多次浸渍石墨的假密度与热膨胀系数
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指标 |
浸渍次数 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
假密度，g/cm3 |
1.62 |
1.77 |
1.83 |
1.87 |
|
导热系数，W/m·K |
79.5 |
113 |
121 |
133.9 |
|
热膨胀系数∥
×10-61/℃，⊥ |
0.80 |
0.93 |
0.92 |
0.94 |
|
2.44 |
2.82 |
2.92 |
2.99 |
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