高纯石墨检测及参考标准
摘要
本文介绍了高纯石墨的概念、性质、制造方法、检测方法和应用领域等方面的知识，旨在让读者了解高纯石墨的基本情况和重要价值。
（1）依据JB/T 2750-2020高纯石墨标准。高纯石墨指灰分含量低于0.1%、0.025%、0.003%的石墨材料，具有优良的导电性、耐高温性、耐腐蚀性、自润滑性、热膨胀系数小等特点，是一种重要的战略性材料。
（2）高纯石墨的制造是一个复杂的工艺过程，主要包括原料选择、成型工艺、后处理工艺等步骤，需要根据不同的要求和条件进行优化和调整。
（3）高纯石墨的检测是为了评价其质量和性能，以及满足不同应用领域的要求。高纯石墨的检测主要包括微量元素含量、灰分含量、硫含量、真密度、体积密度、气孔率、电阻率等项目，需要采用准确、灵敏、快速的测定方法。
（4）高纯石墨的应用是指将高纯石墨作为一种重要的工程材料，在不同的领域和行业中发挥其优良的性能和功能。高纯石墨的应用主要包括核工业、航空航天工业、电子工业等领域，有着广泛的应用和巨大的潜力。
1 引言
石墨是一种由碳元素构成的非金属材料，具有六元环构成的层状结构，层与层之间通过范德华力相互作用，层内原子之间通过共价键相连。石墨具有优良的导电性、耐高温性、耐腐蚀性、自润滑性、热膨胀系数小等特点，是一种用途广泛的工程材料。
高纯石墨是指含碳量大于99.9%的石墨，是一种特殊的石墨材料，具有更高的纯度和更优越的性能，是一种重要的战略性材料。高纯石墨在核能工业、航空航天工业、电子工业等领域有着广泛的应用和巨大的潜力。
本文旨在介绍高纯石墨的概念、性质、制造方法、检测方法和应用领域等方面的知识，希望能够让读者了解高纯石墨的基本情况和重要价值。
2 高纯石墨性质
高纯石墨的性质主要取决于其结构和组成，其中Zui重要的是碳含量、灰分含量、硫含量、微量元素含量、真密度、体积密度、气孔率、电阻率、抗折强度、抗压强度、抗拉强度和热膨胀系数等。下面将分别介绍这些性质指标及其测定方法。
2.1 碳含量
碳含量是指高纯石墨中碳元素所占的百分比，反映了高纯石墨的纯度和杂质程度，对高纯石墨的导电性、耐高温性、耐腐蚀性等性能有重要影响，需要控制在较高的水平。碳含量的测定方法是氧弹法，该方法具有准确度高、灵敏度高、适用范围广等优点。该方法的原理是将高纯石墨样品放入一个密闭的氧弹中，用氧气充满氧弹，用电火花点燃样品，使其完全燃烧，产生二氧化碳和水蒸气。通过测量氧弹内的压力变化和水蒸气的吸收量，根据物质的守恒定律和理想气体状态方程计算出碳含量。
2.2 灰分含量
灰分是指高纯石墨中除碳以外的无机杂质，主要包括氧化物、硫化物等。灰分含量反映了高纯石墨的纯度和杂质程度，对高纯石墨的导电性、耐高温性、耐腐蚀性等性能有重要影响，需要控制在较低的水平。灰分含量的测定方法是重量法，该方法简单易行，但需要注意样品的干燥和灼烧条件。该方法的原理是将高纯石墨样品经过干燥后称重，在空气中灼烧至恒重，再称重，根据两次称重结果计算出灰分含量。
2.3 硫含量
硫是指高纯石墨中存在的硫或硫化物，主要来源于原料或加工过程中的污染。硫含量反映了高纯石墨的杂质程度和稳定性，对高纯石墨的导电性、耐腐蚀性、抗氧化性等性能有不利影响，需要控制在较低的水平。硫含量的测定方法是碘量法，该方法具有准确度高、操作简便等优点。该方法的原理是将高纯石墨样品经过酸溶解后，用碘溶液滴定其所释放出的硫化氢气体，根据滴定结果计算出硫含量。
2.4 微量元素含量
微量元素是指高纯石墨中含量低于%的元素，主要包括铝、钡、钙、铁、镁、锰、镍、硅、钠、钛、钒、锌等12种元素。这些元素对高纯石墨的电阻率、抗氧化性、耐腐蚀性等性能有一定的影响，需要控制在一定的范围内。微量元素含量的测定方法是电感耦合等离子体发射光谱法，该方法具有灵敏度高、准确度高、速度快等优点。该方法的原理是将高纯石墨样品经过酸溶解后，用电感耦合等离子体激发其原子发射特征光谱，根据光谱强度和波长与元素含量之间的关系，计算出各元素的含量。
2.5 真密度
真密度是指高纯石墨单位体积内所包含的固体物质质量，不包括孔隙和裂缝等空隙部分。真密度反映了高纯石墨的结构紧密程度和结晶完整程度，对高纯石墨的导电性、抗压强度、抗拉强度等性能有重要影响，需要控制在较高的水平。真密度的测定方法是气体比重法，该方法具有准确度高、灵敏度高、适用范围广等优点。该方法的原理是将高纯石墨样品放入密闭容器中，用惰性气体（如氦气）充满容器，测量容器内的压力和温度，将样品取出，测量容器内的压力和温度，根据两次测量结果和气体状态方程计算出真密度。
2.6 体积密度
体积密度是指高纯石墨单位体积内所包含的固体物质质量，包括孔隙和裂缝等空隙部分。体积密度反映了高纯石墨的孔隙率和填充程度，对高纯石墨的导电性、抗压强度、抗拉强度等性能有一定影响，需要控制在一定的范围内。体积密度的测定方法是水浸法，该方法简单易行，但需要注意样品的干燥和浸水条件。该方法的原理是将高纯石墨样品经过干燥后称重，在水中浸泡至饱和，再称重，根据两次称重结果计算出体积密度。
2.7 气孔率
气孔率是指高纯石墨单位体积内空隙部分所占的百分比，包括开放孔隙和闭合孔隙。气孔率反映了高纯石墨的结构紧密程度和填充程度，对高纯石墨的导电性、抗压强度、抗拉强度等性能有一定影响，需要控制在一定的范围内。气孔率的测定方法是水浸法，该方法简单易行，但需要注意样品的干燥和浸水条件。该方法的原理是将高纯石墨样品经过干燥后称重，在水中浸泡至饱和，再称重，根据两次称重结果计算出气孔率。
2.8 电阻率
电阻率是指高纯石墨单位长度内所呈现的电阻值，反映了高纯石墨的导电性能。电阻率与高纯石墨的结构、组成、温度等因素有关，对高纯石墨在电子工业、太阳能工业等领域的应用性能有重要影响，需要控制在较低的水平。电阻率的测定方法是四探针法，该方法具有准确度高、灵敏度高、适用范围广等优点。该方法的原理是将四个等距离排列的探针接触到高纯石墨样品表面上，通过两个外侧探针通入恒定电流，在两个内侧探针上测量电压差，根据欧姆定律计算出电阻率。
2.9 抗折强度
抗折强度是指高纯石墨在受到弯曲应力时所能承受的Zui大应力值，反映了高纯石墨的抗断裂能力。抗折强度与高纯石墨的结构、组成、温度等因素有关，对高纯石墨在核能工业、化工工业、冶金工业等领域的应用性能有重要影响，需要控制在较高的水平。抗折强度的测定方法是三点弯曲法，该方法具有操作简便、适用范围广等优点。该方法的原理是将高纯石墨样品置于两个支点之间，用一个加载点施加垂直于样品长度方向的力，测量样品的弯曲变形和断裂载荷，根据力学公式计算出抗折强度。
2.10 抗压强度
抗压强度是指高纯石墨在受到压缩应力时所能承受的Zui大应力值，反映了高纯石墨的抗破坏能力。抗压强度与高纯石墨的结构、组成、温度等因素有关，对高纯石墨在核能工业、化工工业、冶金工业等领域的应用性能有重要影响，需要控制在较高的水平。抗压强度的测定方法是轴向压缩法，该方法具有操作简便、适用范围广等优点。该方法的原理是将高纯石墨样品置于两个平行平面之间，用一个加载装置施加沿着样品轴线方向的力，测量样品的压缩变形和断裂载荷，根据力学公式计算出抗压强度。
2.11 抗拉强度
抗拉强度是指高纯石墨在受到拉伸应力时所能承受的Zui大应力值，反映了高纯石墨的抗断裂能力。抗拉强度与高纯石墨的结构、组成、温度等因素有关，对高纯石墨在核能工业、化工工业、冶金工业等领域的应用性能有重要影响，需要控制在较高的水平。抗拉强度的测定方法是直接拉伸法，该方法具有操作简便、适用范围广等优点。该方法的原理是将高纯石墨样品置于两个夹具之间，用一个加载装置施加沿着样品轴线方向的力，测量样品的拉伸变形和断裂载荷，根据力学公式计算出抗拉强度。
2.12 热膨胀系数
热膨胀系数是指高纯石墨单位长度在温度变化时所产生的相对长度变化量，反映了高纯石墨的热稳定性和尺寸稳定性。热膨胀系数与高纯石墨的结构、组成、温度等因素有关，对高纯石墨在核能工业、电子工业、太阳能工业等领域的应用性能有重要影响，需要控制在较低的水平。热膨胀系数的测定方法是干涉法，该方法具有准确度高、灵敏度高、适用范围广等优点。该方法的原理是将高纯石墨样品置于一个干涉仪中，用一个加热装置对样品进行升温或降温，测量样品的长度变化和温度变化，根据干涉原理计算出热膨胀系数。
3 制造
高纯石墨的制造是指将含碳原料经过一系列的工艺过程，转化为高纯石墨的过程，主要包括原料选择、成型工艺、后处理工艺等。下面将分别介绍这些工艺过程及其原理和特点。
3.1 原料选择
原料选择是指选择合适的含碳原料作为高纯石墨的制造原料，主要考虑原料的碳含量、灰分含量、硫含量、微量元素含量等因素，以保证高纯石墨的质量和性能。一般来说，常用的含碳原料有以下几种：
(1)石油焦：石油焦是指从石油加工过程中分离出来的固体碳质物质，具有碳含量高（约95%）、灰分含量低（约3%）、硫含量低（约0.5%）、微量元素含量低等特点，是一种优良的高纯石墨原料。
(2)煤焦：煤焦是指从煤炭干馏过程中分离出来的固体碳质物质，具有碳含量高（约90%）、灰分含量中等（约8%）、硫含量中等（约1%）、微量元素含量中等等特点，是一种常用的高纯石墨原料。
(3)炭黑：炭黑是指从天然气或重油裂解过程中分离出来的微粒状碳质物质，具有碳含量高（约99%）、灰分含量低（约0.5%）、硫含量低（约0.1%）、微量元素含量低等特点，是一种优良的高纯石墨原料。
(4)石墨：石墨是指天然存在的碳元素的同素异形体之一，具有六元环构成的层状结构，层与层之间通过范德华力相互作用，层内原子之间通过共价键相连。石墨具有碳含量高（约）、灰分含量低（约0.1%）、硫含量低（约%）、微量元素含量低等特点，是一种理想的高纯石墨原料。
3.2 成型工艺
成型工艺是指将含碳原料经过粉碎、混合、压制等步骤，制成所需形状和尺寸的高纯石墨坯体的过程，主要考虑坯体的密度、强度、孔隙率等因素，以保证高纯石墨的性能和质量。一般来说，常用的成型工艺有以下几种：
(1)挤压法：挤压法是指将含碳原料经过粉碎、混合后加入粘结剂和增塑剂，制成具有一定塑性的混合料，通过一个具有所需截面形状和尺寸的模具进行挤压成型，制成所需形状和尺寸的高纯石墨坯体的方法。该方法具有操作简便、生产效率高、坯体密度均匀、强度较高等特点，适用于制造长条形或管状等规则形状的高纯石墨坯体。
(2)压制法：压制法是指将含碳原料经过粉碎、混合后加入粘结剂和增塑剂，制成具有一定塑性的混合料，通过一个具有所需形状和尺寸的模具进行压制成型，制成所需形状和尺寸的高纯石墨坯体的方法。该方法具有操作灵活、生产效率中等、坯体密度较高、强度较高等特点，适用于制造板状或块状等不规则形状的高纯石墨坯体。
(3)热压法：热压法是指将含碳原料经过粉碎、混合后加入粘结剂和增塑剂，制成具有一定塑性的混合料，通过一个具有所需形状和尺寸的模具进行加热和压力的作用下进行成型，制成所需形状和尺寸的高纯石墨坯体的方法。该方法具有操作复杂、生产效率低、坯体密度极高、强度极高等特点，适用于制造高性能要求的高纯石墨坯体。
3.3 后处理工艺
后处理工艺是指将成型好的高纯石墨坯体经过一系列的工艺过程，提高其纯度和性能的过程，主要包括碳化、石墨化、净化等步骤。下面将分别介绍这些步骤及其原理和特点。
(1)碳化：碳化是指将含碳原料中的非碳元素（如氢、氮、氧等）通过加热或化学反应等方式转化为气态或液态物质，从而提高碳含量的过程。该过程可以在成型前或成型后进行，一般采用氢气或氮气作为载气，在800~1200℃的温度下进行。该过程可以提高碳含量至99.5%以上，降低灰分含量至0.5%以下，提高电阻率和耐腐蚀性。
(2)石墨化：石墨化是指将含碳原料中的非层状结构（如金刚石、类金刚石等）通过加热或催化剂等方式转化为层状结构，从而提高结晶度和结构紧密度的过程。该过程一般在成型后进行，采用无氧或惰性气体作为保护气，在2000~3000℃的温度下进行。该过程可以提高结晶度至90%以上，降低层间距至0.335nm以下，提高真密度和抗压强度。
(3)净化：净化是指将含碳原料中的杂质（如硫、铁、硅等）通过加热或化学反应等方式去除或转化为易于分离的物质，从而提高纯度和性能的过程。该过程一般在石墨化后进行，采用酸洗或氟化等方法进行。该过程可以提高纯度至99.99%以上，降低硫含量至%以下，降低微量元素含量至0.001%以下，提高耐腐蚀性和抗氧化性。
4.检测
JB/T 2750-2020高纯石墨：这是一项机械行业标准，规定了高纯石墨的术语和定义、分类和牌号、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等内容。
高纯石墨的检测是为了评价其质量和性能，以及满足不同应用领域的要求。根据JB/T 2750-2020高纯石墨，检测主要包括以下几个方面：
4.1 微量元素含量
JC/T 2571-2020高纯石墨中微量元素测定方法：这是一项建材行业标准，规定了电感耦合等离子体发射光谱法测定高纯石墨中微量元素的术语和定义、一般规定、方法原理、干扰的消除、试剂和材料、仪器和设备、试验方法、测定、结果计算、精密度和回收率等内容。该标准适用于测定灰分含量小于0.1%高纯石墨中铝、钡、钙、铁、镁、锰、镍、硅、钠、钛、钒、锌12种元素的含量。
4.2 灰分含量
灰分含量：这一指标的测定方法可以参照JB/T 8133.6-2013标。
4.3 硫含量：
这一指标的测定方法可以参照JB/T 8133-201315标准.
4.4 真密度
真密度：这一指标的测定方法可以参照JB/T 8133.5-2013标准的第5部分。
4.5 体积密度：
JB/T 8133.14-2013 电炭制品物理化学性能试验方法 第14部分：体积密度。
4.6 气孔率：
气孔率：这一指标的测定方法可以参照JB/T 8133-2013标准的第12部分.
4.7 电阻率：
JB/T 8133.18-2017 电炭制品物理化学性能试验方法 第18部分
电阻率：这一指标的测定方法可以参照JB/T 8133-2013标准的第2部分。
4.8 抗折强度：
抗折强度：JB/T 8133.7-2013 电炭制品物理化学性能试验方法 第7部分
4.9 抗压强度：
抗压强度：JB/T 8133.8-2013 电炭制品物理化学性能试验方法 第8部分
4.10 抗拉强度：
抗拉强度：JB/T 8133.9-2013 电炭制品物理化学性能试验方法 第9部分
4.11 热膨胀系数：
热膨胀系数：JB/T 8133.18-2017 电炭制品物理化学性能试验方法 第18部分
5 应用
高纯石墨的应用是指将高纯石墨作为一种重要的工程材料，在不同的领域和行业中发挥其优良的性能和功能。高纯石墨的应用主要包括以下几个方面：
(1)核工业：核工业是指利用核能进行发电、制造武器、开展科学研究等活动的行业。高纯石墨在核工业中主要作为反应堆的中子减速剂和反射剂，以及核燃料元件的包壳材料和支撑材料等。高纯石墨具有优良的中子减速能力、耐高温性、耐辐照性、耐腐蚀性等特点，是一种理想的核材料。例如，中国第一座自主设计建造的核电站秦山一期工程，就采用了高纯石墨作为反应堆的中子减速剂和反射剂。
(2)航空航天工业：航空航天工业是指利用航空器和航天器进行飞行、探索、运输等活动的行业。高纯石墨在航空航天工业中主要作为火箭发动机的喷嘴、导弹的dantou、人造卫星的太阳能电池板等部件的材料。高纯石墨具有优良的耐高温性、耐氧化性、导电性、轻质性等特点，是一种理想的航空航天材料。例如，中国第一颗人造卫星东方红一号，就采用了高纯石墨作为太阳能电池板的基板材料。
(3)电子工业：电子工业是指利用电子器件和电路进行信息处理、通信、控制等活动的行业。高纯石墨在电子工业中主要作为半导体芯片的衬底、电极、加热元件等部件的材料。高纯石墨具有优良的导电性、耐高温性、耐腐蚀性、尺寸稳定性等特点，是一种理想的电子材料。例如，中国第一台超级计算机神威·太湖之光，就采用了高纯石墨作为其芯片的衬底材料。
