石墨材料及制品常见检项目及参考标准详解

  石墨是一种由碳元素构成的非金属材料，具有六方晶系的层状结构，每一层由碳原子排列成蜂窝状的平面网状结构，层与层之间通过范德华力相互作用。石墨具有以下特点：

  高温稳定性：石墨在空气中的燃点为730℃，在惰性气体中可耐高达3000℃以上的高温；

  良好的导电导热性：石墨是一种优良的导电体和导热体，其导电率和导热系数随温度的升高而增大；

  低摩擦系数和自润滑性：石墨层与层之间的摩擦力很小，因此具有很低的摩擦系数和良好的自润滑性；

  良好的化学稳定性：石墨具有比较强的抗酸碱腐蚀和抗氧化能力，不易被化学试剂侵蚀；

  易于加工成型：石墨具有较高的塑性和韧性，可通过机械加工或压制成型等方法制作而成各种形状和尺寸的产品。

  由于石墨具有上述优异的物理化学性能，因此在工业和民用领域有着广泛的应用。主要应用领域如下：

  电池和电容器：石墨作为电极材料，广泛应用于锂离子电池、超级电容器、太阳能电池等新能源领域；

  电炭制品：石墨作为电刷、滑环、触点等电炭制品的原料，广泛应用于发电机、电动机、变压器等电气设备中；

  石墨电极：石墨作为钢铁冶金中不可缺少的电极材料，广泛应用于电弧炉、耐火材料、特种合金等领域；

  石墨坩埚：石墨作为高温容器材料，广泛应用于金属冶炼、玻璃制造、单晶生长等领域；

  石墨润滑剂：石墨作为固体润滑剂，广泛应用于轴承、齿轮、链条等摩擦部件中；

  石墨复合材料：石墨与金属、陶瓷、树脂等材料复合，可制作成各种高性能的结构材料和功能材料，大范围的应用于航空航天、核工业、汽车制造等领域。

  体积密度是指单位体积的石墨材料所含有的实际物质质量，也就是单位体积内除去孔隙后剩余物质的密度。体积密度反映了石墨材料的的紧密程度和结构完整性，影响了石墨材料的强度、硬度、导电导热性等性能。因此，体积密度是评价石墨材料的品质的重要指标之一。

  参考GB/T 24528-2009 炭素材料体积密度测定方法，称量质量，然后采用游标卡尺测量石墨尺寸，计算出体积：

  电阻率是指单位长度的石墨材料在单位截面积上所呈现的电阻值，也就是石墨材料对电流的阻碍程度。电阻率反映了石墨材料的导电性能，影响了石墨材料在电池、电极、电刷等领域的应用效果。因此，电阻率是评价石墨材料的品质的重要指标之一。

  电阻率的测定方法有两种，分别是直流四探针法。直流四探针法是利用直流电源和四个等间距的探针，经过测量石墨材料上两端探针间的电压和两侧探针间的电流，计算出其电阻率。具体步骤和计算公式能参考GB/T 24525-2009 碳素材料电阻率测定方法。

  抗折强度是指石墨材料在弯曲时所能承受的最大应力值，也就是石墨材料抵抗弯曲破坏的能力。抗折强度反映了石墨材料的机械强度和韧性，影响了石墨材料在结构件、坩埚、电极等领域的使用寿命和安全性。因此，抗折强度是评价石墨材料质量的重要指标之一。

  抗折强度的测定方法有两种，分别是三点弯曲法和四点弯曲法。三点弯曲法是将石墨材料放置在两个支点上，通过一个加载点对其施加垂直于支点方向的力，直到发生断裂，记录最大载荷值，并根据试样尺寸计算出其抗折强度。四点弯曲法是将石墨材料放置在两个支点上，通过两个等距离于支点且相互靠近的加载点对其施加垂直于支点方向的力，直到发生断裂，记录最大载荷值，并根据试样尺寸计算出其抗折强度。

  GB/T 3074.1-2021 碳素材料抗折强度测定方法采用的是四点弯曲法。

  耐压强度是指石墨材料在受到压缩力时所能承受的最大应力值，也就是石墨材料抵抗压缩破坏的能力。耐压强度反映了石墨材料的抗变形和抗破裂性能，影响了石墨材料在高压、高温、高速等极端条件下的稳定性和可靠性。因此，耐压强度是评价石墨材料质量的重要指标之一。

  耐压强度的测定方法是利用液压试验机对石墨材料进行加载，直到发生断裂，记录最大载荷值，并根据试样尺寸计算出其耐压强度。该方法的具体步骤和计算公式可以借鉴GB/T 1431-2019 炭素材料耐压强度测定方法。

  抗拉强度是指石墨材料在受到拉伸力时所能承受的最大应力值，也就是石墨材料抵抗拉伸破坏的能力。抗拉强度反映了石墨材料的延展性和韧性，影响了石墨材料在受到外力作用时的变形程度和断裂风险。因此，抗拉强度是评价石墨材料质量的重要指标之一。

  抗拉强度的测定方法是利用万能试验机对石墨材料进行加载，直到发生断裂，记录最大载荷值，并根据试样尺寸计算出其抗拉强度。该方法的具体步骤和计算公式可以参考GB/T 8721-2019 碳素材料抗拉强度测定方法。

  弹性模量是指石墨材料在受到外力作用时，单位长度产生单位形变所需的应力值，也就是石墨材料的弹性恢复能力。弹性模量反映了石墨材料的刚度和柔软性，影响了石墨材料在受到振动、冲击、变形等影响时的响应速度和稳定性。因此，弹性模量是评价石墨材料质量的重要指标之一。

  弹性模量的测定方法是利用共振频率法对石墨材料进行测量，即通过激励石墨材料产生固有振动，并测量其共振频率，然后根据试样尺寸和密度计算出其弹性模量。该方法的具体步骤和计算公式可以参考GB/T 3074.2-2008 石墨电极弹性模量测定方法。

  肖氏硬度是指用肖氏硬度计对石墨材料表面施加一定载荷后，在一定时间内产生的凹陷深度，也就是石墨材料表面的抗磨损能力。肖氏硬度反映了石墨材料的耐磨性和耐划伤性，影响了石墨材料在摩擦、切削、加工等过程中的损耗和质量。因此，肖氏硬度是评价石墨材料质量的重要指标之一。

  肖氏硬度的测定方法是利用肖氏硬度计对石墨材料表面施加一定载荷，保持一定时间后卸载，然后用显微镜测量其凹陷深度，并根据试验条件计算出其肖氏硬度。该方法的具体步骤和计算公式可以参考JB/T 8133.4-2013 电炭制品物理化学性能试验方法 第4部分：肖氏硬度。

  显气孔率是指石墨材料中可见的气孔所占的体积比例，也就是石墨材料中的空隙度。显气孔率反映了石墨材料的致密性和均匀性，影响了石墨材料的强度、导电导热性、耐腐蚀性等性能。因此，显气孔率是评价石墨材料质量的重要指标之一。

  显气孔率的测定方法是采用真空法或煮沸法将试样孔隙内的气体排出，使水分填充到孔隙内，应用阿基米德定律测出开口气孔体积，与试样总体积比值，再换为质量比，可以计算出其显气孔率。该方法的具体步骤和计算公式可以参考GB/T 24529-2009 炭素材料显气孔率的测定方法。

  导热系数是指单位时间内，单位面积的石墨材料在单位温差下所传导的热量，也就是石墨材料的导热性能。导热系数反映了石墨材料在高温条件下的散热能力和温度分布均匀性，影响了石墨材料在电极、坩埚、散热器等领域的工作效率和稳定性。因此，导热系数是评价石墨材料质量的重要指标之一。

  纵向热流法：采用直接通电纵向热流法 。 圆柱试样通过直流电时 。产生的热量主要沿试样纵向向两端传导 。 达热稳定状态后 ，认为试样上是一维纵向热流 ， 对试样和侧向环境热交换予以修正 。

  闪光法：薄圆片试样受高强度短时脉冲能量辐射， 试样正面吸收脉冲能量使背面温度升高， 记录试样背面温度的变化 。 根据试样厚度和背面温度达到最大值的某一百分率所需时间计算出试样的热扩散系数 。 由试样的热扩散系数 、 比热容及体积密度即可计算出导热系数 。

  热膨胀系数是指单位温度变化时，单位长度的石墨材料所产生的线性膨胀量，也就是石墨材料的膨胀性能。热膨胀系数反映了石墨材料在温度变化时的尺寸稳定性和应力变化情况，影响了石墨材料在高温、高压、高速等极端条件下的常规使用的寿命和安全性。因此，热膨胀系数是评价石墨材料的品质的重要指标之一。

  热膨胀系数系数的测定方法有很多种，参考标准也很多，常见的为顶杆法、纵向热流法和闪光法。

  灰分含量是指石墨材料中非碳元素的质量分数，也就是石墨材料的杂质含量。灰分含量反映了石墨材料的纯度和品质，影响了石墨材料的电阻率、强度、耐腐蚀性等性能。因此，灰分含量是评价石墨材料的品质的重要指标之一。

  灰分含量的测定方法是利用重量法对石墨材料来计算，即通过测量样品在高温下燃烧后的残渣重量和原始重量，计算出其灰分含量。该方法的具体步骤和计算公式能参考GB/T 1429-2009 碳素材料灰分含量测定方法。

  含碳量是指石墨材料中碳元素的质量分数，也就是石墨材料的碳化程度。含碳量反映了石墨材料的结构和性能，影响了石墨材料的导电导热性、强度、硬度等性能。因此，含碳量是评价石墨材料的品质的重要指标之一。

  GB/T 3521-2008 石墨化学分析方法 中蚕蛹间接定碳法即燃烧法测量，具体计算过程为测得试样的挥发份、灰分后，由总量中将他们减去，其差值为固定碳含量。

  用于高温的石墨需要再高温条件下有良好的稳定性，因此高温性能对于石墨制品非常重要。

  一般要求和检测方法为：氮气保护下高温烧结至1200C后，无变形，无裂纹，无破损表面无坑洞。

  解决方案：根据不同的应用领域和性能要求，选择适合的检测标准和检测项目。一般来说，电池和电容器等领域需要重点关注电阻率、导热系数、抗拉强度等项目；电极、坩埚等领域需要重点关注体积密度、抗折强度、耐压强度、热线胀系数等项目；润滑剂、复合材料等领域需要重点关注肖氏硬度、显气孔率、灰分含量等项目。