Графит — это элемент, состоящий из углерода, встречающегося в природе. Этот аллотроп углерода очень стабилен, а его наиболее примечательной особенностью являются безупречные тепловые свойства.
Общеизвестно, что он может эффективно проводить тепло.
Кроме того, он обладает хорошим коэффициентом теплового расширения и очень высокой температурой плавления — около 3600 °C.
Что такое теплопроводность графита?
Рассматривая теплопроводность графита, нам нужно сначала понять, что такое теплопроводность. Мы можем определить теплопроводность графита как его способность проводить тепло.
Мы измеряем количество тепла, проходящего через графитовый материал. Основным компонентом графита является углерод.
Этот углерод встречается в природе и, как известно, обладает одной из лучших характеристик теплопроводности. Чем выше температура, при которой находится графит, тем выше его теплопроводность.
Эта теплопроводность может достигать от 1500 до 2000 Вт/(м·К). Это выше, чем у других материалов, таких как медь, при измерении при комнатной температуре.
Тепловые свойства графита
· Коэффициент теплового расширения графита
Вы обнаружите, что графит имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (КТР). С точки зрения непрофессионала, любой материал неизбежно расширяется при воздействии на него той или иной формы тепла.
Причина низкого КТР графита заключается в том, что он лишь незначительно расширяется даже в экстремальных температурных условиях. Это очень удобно при применении при высоких температурах, когда компоненты изготавливаются с использованием графита.
К таким компонентам относятся формы, инструменты, используемые для изготовления или обработки стекла, и многие другие компоненты печи.
· Устойчивость графита к тепловому удару
Мы можем определить устойчивость графита к тепловому удару как фактор, позволяющий ему сохранять свою структуру при воздействии различных температурных условий. Мы можем с уверенностью предположить, что графит обладает одной из лучших сопротивляемостей тепловому удару.
Этого можно добиться за счет таких характеристик, как низкий коэффициент теплового трения и исключительно высокая прочность. Еще одним фактором, значительно повышающим его устойчивость к тепловому удару, является низкий модуль упругости.
· Температура плавления графита
Графит ведет себя очень странно, в отличие от других элементов, когда вы подвергаете его воздействию температуры плавления. Как только он достигнет своей температуры плавления, он начнет возгоняться, а не плавиться.
Эта температура плавления обычно составляет 3600 °C, что является экстремальной температурой плавления, граничащей с температурой плавления алмаза. Если посмотреть на структурные свойства графита, то они уступают обычным металлам.
Однако графит становится прочнее, когда вы подвергаете его температурным колебаниям от 1000 до 2500 °C. Это показывает, что такие температуры повышают структурную прочность вашего графита.
· Теплопроводность графита
Теплопроводность графита - это просто его способность передавать или рассеивать тепло. Благодаря его впечатляющим свойствам теплопередачи при использовании графита вы почувствуете высокий уровень теплопроводности.
Теплопроводность обычных графитовых материалов находится в диапазоне от 110 до 240 Вт/(м·K). Она может достигать 1000-2000 Вт/(м·K) в зависимости от различных графитовых композитов.
Вы можете применять такие материалы в процессах, требующих постоянного отвода тепла. Этого можно добиться за счет использования графитовых радиаторов и теплообменников.
· Устойчивость графита к криогенным температурам
Давайте начнем с описания того, что такое криогенные температуры. Это рабочие температуры в диапазоне от -50 °C до абсолютного нуля (-273 °C).
Когда космические аппараты выходят в открытый космос, они подвергаются воздействию окружающей среды с отрицательной температурой. Это означает, что в таких условиях нельзя использовать какие-либо уплотнения или смазочные материалы.
Как мы уже знаем, графит самосмазывающийся. Это означает, что он не может затвердевать или застывать в таких условиях, в отличие от других смазочных материалов, таких как консистентная смазка.
Однако вы не можете использовать любой сорт углеродистого графита, поскольку некоторые из них могут покрыться пузырями при нанесении. Вам придется выбрать графит с очень прочным сортом углерода.
· Диапазон рабочих температур графита
Благодаря его стойкости к экстремально высоким температурам вы можете комфортно использовать графит при температуре выше 200 °C. Это не означает, что они не работают при температурах ниже этой, совсем наоборот.
Ваш графит очень подвержен быстрому окислению при нагревании в присутствии достаточного количества воздуха. Именно по этой причине
Мы можем с уверенностью сказать, что максимальная рабочая температура вашего графита составляет 427 °C при работе с инертным газом. Любые рабочие температуры, превышающие эту, требуют использования графита в условиях вакуума.
Ваш графит может работать при максимальной температуре около 3300°C. При более высоких температурах графит начинает разрушаться.
· Удельная теплоемкость графита
Удельную теплоёмкость графита можно описать как энергию, необходимую для повышения его температуры на один градус. Это значение относится к единице массы графита.
В качестве альтернативы, и в более простых терминах, мы можем описать это как способность графита накапливать энергию. Фактическая удельная теплоемкость графита составляет 706,9 Дж/кг.
Необходимо учитывать общее количество использованной энергии и разницу температур.
Влияние температуры на структуру графита
Когда вы подвергаете графит воздействию повышающихся температур, это влияет на его структуру двумя различными способами:
- Любое повышение температуры приводит к срабатыванию его структурной решетки. Это означает, что его свободные электроны начнут быстро сталкиваться, тем самым увеличивая его сопротивление.
- Когда вы нагреваете графит, вы находитесь в процессе увеличения количества и подвижности свободных электронов. Результатом является улучшение электропроводности вашего графита.
Теплопроводность графита при комнатной температуре
Как мы обсуждали ранее, теплопроводность графита - это его способность проводить тепло. Графит обладает очень высокой теплопроводностью - около 4300 Вт/(м·K) при комнатной температуре.
Тепло в графите передается через фононы. Это объясняет, почему оно высокое, поскольку их положение в решетке графита очень жесткое.
Если мы сравним его с таким металлом, как медь, то при анализе при комнатной температуре он превосходит ее более чем в пять раз.
Однако при работе с графитом следует соблюдать осторожность, так как он очень чувствителен к воздействию кислорода. При воздействии очень высоких температур в присутствии кислорода он быстро окисляется.
При использовании графита в качестве нагревательного элемента можно с лёгкостью достичь температуры около 3000 °C. Эта температура применима только в тех случаях, когда используется инертный газ.
Использование графита обусловлено его тепловыми свойствами
Графит обладает очень хорошими тепловыми свойствами, и по этой причине мы можем использовать его во многих областях применения. Эти области применения обычно работают в экстремальных температурных условиях, но графит функционирует исключительно хорошо.
Давайте рассмотрим некоторые распространённые области применения графита:
· Электроника
Мы можем использовать графит для изготовления теплоотводов, которые используются в качестве компонентов в электронных устройствах. Эти теплоотводы могут рассеивать большое количество тепла, выделяемого устройствами.
Такие устройства, как транзисторы, не перегреваются. Они работают намного лучше, когда тепло отводится от них.
· Графитовые электроды
Известно, что графитовые электроды обладают очень высокой теплопроводностью. Кроме того, они механически прочны и выдерживают очень высокие температуры.
Их превосходная химическая стабильность позволяет с комфортом использовать их в различных областях применения в химической промышленности. К таким применениям относятся процесс электролиза и электрические печи.
· Аэрокосмическая промышленность
Наши партнеры используют теплопроводность графита при изготовлении деталей и агрегатов самолетов. Такие самолеты и космические аппараты в процессе эксплуатации подвергаются воздействию экстремальных температур окружающей среды.
Выделяемое тепло регулируется способностью графита эффективно его переносить и рассеивать.
· Изготовление тиглей и форм
В основном мы используем такие тигли для процессов литья металла. Такие тигли могут эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе.
Это, в свою очередь, приводит к равномерному нагреву и охлаждению литого металла. В результате получается металлический продукт с качественной отделкой.
· Смазка
Графит используется в качестве смазочного материала в тех случаях, когда требуется повышенное давление и температура. Прекрасным примером является двигатель, используемый в транспортных средствах, или даже станки для обработки металлов, такие как токарные станки.
Поскольку графит может очень хорошо работать при чрезвычайно высоких температурах, он может хорошо служить для таких применений. Кроме того, он уменьшит трение, возникающее при истирании во время таких процессов.
· Научные исследования
Мы можем использовать графит в качестве эталона при определении теплопроводности различных веществ. Мы уже знаем теплопроводность графита, и благодаря его стабильности она не меняется.
Мы используем это значение в качестве ориентира и сравниваем его с теплопроводностью других элементов. Это позволяет нам эффективно определять характеристики теплопередачи таких материалов.
Итог
Мы можем с уверенностью сказать, что графит обладает очень хорошими тепловыми свойствами, которые можно использовать в высокотемпературных приложениях. Тот факт, что он может эффективно проводить и рассеивать тепло, обладая при этом отличным коэффициентом теплового расширения, подтверждает это.
Кроме того, чтобы он расплавился, его нужно нагреть до температуры выше 3000 °C. Это означает, что он может безопасно выдерживать высокую температуру и подходит для задач по теплопередаче.
Заказать необходимые заготовки и изделия из графита вы всегда можете в НПФ УМГ