Графит. 
Материаловедение в машиностроении

Графит — это слоистая модификация углерода (в отличие от алмаза, имеющего плотную кубическую решетку, см. 9.2.6 и рис. 9.4), построенная из правильных гексагонов (шестиугольников), в углах которых расположены атомы. Слои в графите расположены таким образом, что вершины шестиугольника одного слоя расположены над центрами шестиугольника нижележащего слоя (рис. 12.10). Теоретическая плотность графита — 2,26 г/см3, температура плавления — 3850 °C.

В слое атомы связаны прочными ковалентными связями, кратчайшее расстояние между атомами составляет 0,142 нм. Расстояние между слоями примерно в 2,5 раза больше кратчайшего межатомного расстояния в слое. Между слоями действуют слабые силы Ван-дер-Вальса. Это приводит к тому, что слои легко смещаются друг относительно друга (пишем графитовым стержнем карандаша).

Неодинаковость сил межатомных взаимодействий в разных кристаллографических направлениях определяет сильную анизотропию свойств графита. Значения коэффициента термического расширения составляют: вдоль слоя — 1,5•10−6 К-1, а между слоями — 28,6•10−6 К-1.

Графит обладает очень высокой жаропрочностью (ковалентные связи определяют высокую температуру начала разупрочнения — 0,8Tпл). Уникальной особенностью графита является то, что при нагреве модуль упругости и предел прочности повышаются, а не снижаются, как у металлических сплавов (рис. 12.11). Максимум прочности достигается при температуре около 2750 °C. При нагреве графит мало расширяется, обладает высокой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности? = 372 Вт/м•К, это примерно в два раза выше, чем у вольфрамовых сплавов) и поэтому устойчив против термических ударов.

Качество природного графита невысокое, он содержит много примесей, порист, почти изотропен, поэтому его применение ограниченно. В технике применяется графит, полученный искусственным путем. Он обладает более совершенной кристаллической решеткой, высокой анизотропией свойств. Повышение свойств гра;

Рис. 12.11. Прочность графита (1) и жаропрочных сплавов системы «W — Re» (2) в зависимости от температуры.

Рис. 12.10. Кристаллическая структура графита.

фига достигается карбонизацией или осаждением из газовой фазы.

В качестве исходного материала для получения графита методом карбонизации (технического) используется нефтяной кокс, являющийся побочным продуктом перегонки нефти. Измельченный кокс перемешивается со связкой — это углеродсодержащие смолы — и формуется. Летучие вещества удаляются в процессе карбонизации — длительного нагрева при температуре 750…900 °С. Для уменьшения пористости может выполняться несколько циклов «пропитка связующим — карбонизация». Такая технология позволяет получить графит плотностью 1700… 1800 кг/м3. Метод карбонизации сравнительно прост, не требует специального оборудования.

Однако процесс карбонизации не позволяет получить графит высокой плотности, несмотря на некоторое уменьшение расстояния между слоями.

Высокие свойства могут быть получены у пиролитического графита, получаемого из газообразного сырья — углеродсодержащего газа (например, метана СН4), который диссоциирует при температуре 900…1000 °С. Углерод осаждается на подложки из технического графита или керамики. Полученный пирографит можно отделить от подложки и получить деталь или оставить в виде покрытия. Пирографит обладает малой пористостью (его плотность приближается к теоретической) и высокой степенью ориентированности структуры. Но это дорогой метод. Процесс осуществляется в вакуумных или индукционных печах под давлением.

Рассмотренные методы не позволяют эксплуатировать изделия из графита при температурах более высоких, чем температура их получения (750…1000 °С).

Более совершенная и термостабильная структура получается в результате графитизации — нагрева заготовки из карбонизированного или пиролитического графита до температур, близких к 3000 °C. При этом «залечиваются» дефекты структуры, уменьшается расстояние между слоями, что приводит к повышению плотности графита и его прочности.

Недостатком графита как жаропрочного материала является его склонность к окислению. Он окисляется при температурах 400…800 °С с выделением газообразных продуктов. Для защиты от окисления может быть использована обработка графита парами кремнезема (силицирование), при этом на поверхности образуется защитный слой карбида кремния.

Благодаря высокой жаропрочности и жаростойкости графит применяют для изготовления изделий, работающих при очень высоких температурах, в частности для изготовления матриц и пуансонов для горячего прессования изделий из твердых сплавов и керамики. Температуры спекания твердых сплавов и керамики высокие — 1400…1600 °С. При таких температурах графит по прочности мало уступает наиболее жаропрочным металлическим сплавам на основе вольфрама.

Графит является компонентом ряда композитов, его используют в качестве и матричного, и армирующего материала (см. 13.2.1 — 13.2.3). Графит используют и как сырье для получения алмаза.