6.8.2. Пластинчатый пирографит
Идеальная кристаллическая структура графита предполагает высокую анизотропию его свойств, но в природе таких структур нет, а обычные природные и искусственные графиты являются поликристаллическими веществами.
Пластинчатый пирографит предполагает близкую к нормальной структуру графита. Она представляет собой гексагональную слоистую структуру, состоящую из плоских шестиугольных сеток, в узлах которой находятся атомы углерода.
Расстояние
между атомами углерода в сетке а0
=1,49Å,
а между плоскими сетками
Б=3,49Å (рис.59). Такая структура определяет высокую температуру плавления графита и ярко выраженную анизотропию свойств.
Больше всего в структуре монокристаллического графита приближается пластинчатый пирографит, полученный методом пиролиза углеродсодержащих газов на горячей поверхности.
Обычный пластинчатый пирографит получают путём разложения метана в электровакуумных печах, на графитовой подложке, имеющей температуру 25000С. Нагрев подложки осуществляется прямым пропусканием тока или индукционным методом.
Пирографит осаждается слоями толщиной от 3 до 10 мм, но не более, т.к. при больших толщинах возникают сильные внутренние напряжения в материале. Полученный материал отличается высокой плотностью, прочностью и сильно выраженной анизотропией свойств (табл.28)
Свойства пластинчатого пирографита Таблица 28.
|
Т,К |
λ||, Вт/(м·К) |
λ┴, Вт/(м·К) |
Ср, кДж/(кг·К) |
σв, МПа | ||
|
293 |
4 |
0,027 |
1,4 |
110 | ||
|
473 |
3,6 |
0,015 |
1,7 |
| ||
|
673 |
3,3 |
0,006 |
2,3 |
| ||
|
873 |
2,4 |
0,0043 |
2,5 |
| ||
|
1073 |
1,65 |
0,003 |
2,7 |
| ||
|
1273 |
|
|
3,02 |
| ||
|
2000 |
|
|
3,7 |
| ||
|
3000 |
|
|
|
350 | ||
Обозначения: Т – температура; λ|| - теплопроводность параллельно слоям; λ┴ - теплопроводность перпендикулярно слоям; Ср- удельная теплоёмкость; σв- прочность при растяжении.
Как видно из таблицы, пластинчатый пирографит обладает высокой анизотропией свойств, что хорошо иллюстрируется его теплопроводностью.
К этому нужно добавить, что омическое сопротивление в направлении, параллельном слоям, примерно в 50 раз меньше, чем в перпендикулярном направлении (50 Ом·м и 2400 Ом·м, соответственно). Твёрдость по Моосу в параллельном направлении к слоям составляет 1, а в перпендикулярном – 4,5 единицы.
Механические свойства, как и для обычного графита, возрастают с повышением температуры: прочность при растяжении составляет 110 МПа при нормальной температуре и 350 МПа – при температуре 3000 К.
Пластинчатый пирографит в последние годы находит широкое применение в ракетной и атомной технике в США и в нашей стране.
Так как из пирографита нельзя получать толстостенные изделия, то они набираются из пластин допустимой толщины и доводятся с помощью механической обработки до нужной формы.
На рис.60 показана конструкция соплового вкладыша из пластинчатого пирографита. В такой конструкции вкладыша слои пирографита направлены перпендикулярно к газовому потоку. Благодаря высокой теплопроводности пирографита в направлении, параллельном слоям, с рабочей поверхности тепло интенсивно отводится к периферии, т.е., к массивной обойме, и температура её понижается. Твёрдость пирографита в направлении газового потока составляет 4,5 единицы по Моосу и практически не уменьшается до рабочих температур, что способствует высокой эрозийной стойкости поверхности материала. Названы свойства пирографитовой конструкции вкладыша обусловливают высокие абляционные свойства материала при очень высоких температурах, имеющих место в соврименных твёрдотопливных двигателях.
Пирографит может использоваться как экранирующий материал и замедлитель в ядерных ракетных двигателях (ЯРД). Кроме того, пирографит и пироуглерод, полученные по специальной технологии, могут использоватся как полупроводники. На эти свойства углеродных материалов указывал ещё А.Ф. Иоффе в 1919 году. Осаждение таких материалов можно осуществлять в электростатических полях в вакууме.
В заключение нужно отметить, что по типу углерод-углеродных материалов, могут быть созданы и уже создаются пирокарбиды, найдены новые полупроводниковые и сверхпроводящие материалы.
Конечно, все рассмотренные углерод – углеродные материалы и технологии требуют своего совершенства, возможно, появятся и новые [26, 29, 39-42].