炭素陽極在低溫下是極惰性的，但隨著溫度的提高其化學(xué)活性急劇增加，大約從350℃開始氧化，而且會隨著金屬雜質(zhì)含量和熱處理溫度的不同而有差異，微量雜質(zhì)Na、K、Mg、Ca、Fe、CuV、A1、Ti、B、Mn、Ni的存在會明顯的加速氧化反應(yīng)，因此，減少陽極中微量元素的含量對降低陽極消耗十分重要。
電解鋁生產(chǎn)過程中，陽極底部存在一個明顯的氣膜層，發(fā)生碳與二氧化碳的氣固反應(yīng)，它的反應(yīng)速度與氣體分子向陽極內(nèi)部擴(kuò)散的速度有關(guān)。如果陽極材料的氣孔率高，特別是開口氣孔多，氣體分子容易擴(kuò)散到材料內(nèi)部，參與反應(yīng)的表面積大，氧化速度加快，提高炭素陽極的密度可以有效地降低氧化消耗。
2、碳化物的生成
在高溫下，碳溶解于 Fe、Al、Mo、Cr、Ni、V.Ti等金屬和B、Si等非金屬中生成碳化物。碳與堿金屬、堿土金屬及稀土類元素生成鹽類碳化物，一般為絕緣體，大部分穩(wěn)定性好。在停槽大修的陰極上容易看到黃色的碳化鋁。
例如，天然鱗片石墨和熱解石墨的各向異性比可高達(dá)10^4。人造石墨制品的電阻率各向異性比只有1.2~1.4.各種炭素材料的導(dǎo)電能力是不同的，石墨化度高，層面排列近于平行，晶體缺陷少，有利于自由電子流動,所以電阻率就低。一些常用炭素材料的電阻率列于表1-9.炭素陽極作為鋁電解的導(dǎo)電材料，要求具有良好的導(dǎo)電性、較低的電阻率，以減少陽極的申耗，提高鋁電解的電流效率。電阻率與煅后焦的煅燒程度、陽極的體積密度及焙燒溫度有直接的關(guān)系。
炭素材料導(dǎo)電性隨溫度的變化受兩方面因素的制約。一方面石墨晶體受熱時，在價帶上的電子激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶上,成為自由電子,自由電子的數(shù)量增多,電阻率減小;另一方面,溫度升高時，晶格點(diǎn)陣的熱振動加劇，振幅增大，自由電子的流動阻力加大，電阻率增加。所以，當(dāng)溫度使電子激發(fā)作用起主導(dǎo)時,炭素材料的電阻溫度系數(shù)為負(fù)值，而當(dāng)晶格熱振動起主導(dǎo)作用時,電阻溫度系數(shù)為正值。石墨的電阻溫度系數(shù)在100~900K以下時為負(fù)值，而在900 K 以上時為正值。
- 熱導(dǎo)率
在固體材料中，熱傳導(dǎo)有兩種方式。一種是由自由電子流動而實(shí)現(xiàn)，多數(shù)金屬是屬于這一類。另一種是靠晶格原子的熱振動,非金屬包括炭素材料在內(nèi)屬于晶格導(dǎo)熱體。晶格熱振動的原理是:在一定溫度下，晶體中原子的熱振動有一定振幅，一個原子振動就會對鄰近原子施加周期性作用力，如果鄰近原子處在較低溫度，振動振幅相應(yīng)較小，相互作用的結(jié)果發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，這樣就使熱量由熱端向冷端傳遞。炭素材料的導(dǎo)熱是靠晶格原子的熱振動傳熱的晶格導(dǎo)熱體。
炭素材料的熱導(dǎo)率有以下列特點(diǎn):
石墨的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)各向異性，因?yàn)樵谑w中晶格波主要沿晶格網(wǎng)平面?zhèn)鬟f的，而且在平面上還有π電子作用。
炭素材料的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率與石墨化度有密切關(guān)系，石墨化度愈高，則熱導(dǎo)率愈高。因?yàn)樵诔鼗虻陀诔貢r，晶格波平均自由程與微晶尺寸成正比，而且炭素材料的晶格缺陷也對晶格波平均自由程有影響。盡管炭材料和石墨材料的比熱容相差不多，但熱導(dǎo)率可以相差幾倍至幾十倍。石墨材料是一種良好的導(dǎo)熱體,它的熱導(dǎo)率可與一些金屬媲美,但另一些炭素材料(如多孔炭、炭布、炭氈等)卻為高溫隔熱體。
2、熱膨脹系數(shù)
固體材料的長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹或線膨脹。線膨脹系數(shù)直接影響著材料在高溫下的使用性能，線膨脹系數(shù)越大的產(chǎn)品受熱變形越大，開裂的可能性越大，熱處理成品率就越低。當(dāng)炭素材料用于工作溫度高、變化幅度大，而要求材料尺寸無明顯變化的場合時,α值就成為重要的質(zhì)量指標(biāo)之一。炭素材料的線熱膨脹系數(shù)比金屬小得多，而且石墨化程度愈高，線熱膨脹系數(shù)愈小。炭素材料的線熱膨脹系數(shù)具有明顯的各向異性。
3、抗熱震性
炭和石墨制品在高溫下使用時能經(jīng)受溫度的劇烈變化而不被破壞的性能，稱為抗熱震性，有時也稱耐急冷急熱性或熱穩(wěn)定性。熱膨脹性質(zhì)的存在是制品在溫度劇烈波動時破壞的根本原因，制品的表面由高溫急劇冷卻時，會因其收縮而產(chǎn)生張應(yīng)力;反之，在制品表面經(jīng)受急熱時則會因其膨脹而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。當(dāng)溫度劇烈波動時，制品內(nèi)部及表面產(chǎn)生了溫度差，因而也就產(chǎn)生了應(yīng)力(內(nèi)部及表面的膨脹和收縮不同所引起的)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到了制品的極限抗張強(qiáng)度或極限抗剪切強(qiáng)度時，制品也就產(chǎn)生了開裂，這是溫度急劇波動時制品遭受破壞的實(shí)質(zhì)。
]]>炭素材料在工作時，會受到碰撞、壓縮、彎曲和摩擦等力的作用，其機(jī)械強(qiáng)度就是衡量它承受機(jī)械外力能力的物理參數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度一般用抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度來表征。
抗壓強(qiáng)度–對炭素材料施加外壓力，單位面積上所承受的極限載荷(破碎瞬間的力);炭素材料的抗壓強(qiáng)度與原料的顆粒強(qiáng)度、粒度組成、黏結(jié)劑用量、壞體的焙燒過程等因素都有關(guān)系。
抗折強(qiáng)度-炭素材料受到與軸線相垂直的外力作用時，從彎曲到折斷時的極限載荷亦稱抗彎強(qiáng)度。它是用來衡量陰極炭塊及石墨電極質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。測量抗折強(qiáng)度時，將試樣放在有一定距離的兩個支點(diǎn)上,在試樣中間處施加壓力，直至將試樣壓斷。
2、彈性模量
在機(jī)械力學(xué)中,把固體材料受力變形后，外力撤去可恢復(fù)原來形狀的變形叫做彈性形變。在彈性限度內(nèi)，表示炭素材料所受應(yīng)力與產(chǎn)生應(yīng)變之間關(guān)系的物理量，通常采用楊氏模量來表示。楊氏模量有靜態(tài)和動態(tài)兩種測定方法。靜態(tài)彈性模量是將試樣在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上施加靜拉伸負(fù)荷，同時用引申儀測定試樣的彈性伸長量，然后用下式計算出彈性模量。
動態(tài)彈性模量是采用聲頻法測定(GB3074.2-82),原理是超聲波在試樣內(nèi)的傳播速度與材料的密度和彈性有關(guān)。彈性模量的單位為GPa(10^9Pa)。普通炭素材料的彈性模量為4.5~10.0GPa。
大多數(shù)炭素材料的彈性模量隨溫度升高而增大。用石油焦或?yàn)r青焦制成的人造石墨，當(dāng)溫度上升到1800℃時，彈性模量比室溫時提高了 40%~50%。
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1、真密度
真密度是不包括氣孔和裂隙在內(nèi)的單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。真密度能說明材料的基本質(zhì)點(diǎn)的致密程度及排列規(guī)則化的程度。測定真密度是為了了解原料或制品的炭化程度及過程的熱處理程度，如原料的煅燒程度，制品的焙燒程度等。對于各種石墨制品來說，也可以用真密度間接表示石墨晶格結(jié)構(gòu)的完善程度等(與理想石墨比較)。真密度的大小，還可以反映出炭材料的一些物理化學(xué)性能。一般真密度越大，其導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性越好，其抗氧化性能亦越強(qiáng)。真密度的測定方法有溶劑置換法、氣體置換法和射線射法，其中最常用的是溶劑置換法。這種方法是將試樣粉碎到0.15mm 以下，經(jīng)充分干燥后裝人比重瓶中稱重，然后在恒溫下用熔劑(常用的有二甲苯、蒸餾水、酒精等)浸潤，使溶劑充滿顆粒間隙和顆粒內(nèi)部的氣孔及微型裂縫，最后用比較稱重法求出真實(shí)體積，進(jìn)而得出真密度。
2、體積密度
體積密度是包括孔隙在內(nèi)的單位體積炭材料的質(zhì)量，也稱為視密度或表觀密度，其數(shù)值小于真密度，單位是g/cm3。體積密度可以表示材料或制品的宏觀組織結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度，制品的氣孔率越大，體積密度越低，則宏觀組織越疏松。測定體積密度的方法是:將成品或半成品加工成一定尺寸的試樣(立方體或圓柱體),烘干后精確測量幾何尺寸并稱量其質(zhì)量，然后求出單位體積的質(zhì)量。
3、氣體滲透率
炭素材料屬多孔材料，在一定壓力下的氣體可以透過材料。炭材料的氣體滲透率只與連通氣孔的大小和形狀有關(guān)，一般認(rèn)為氣體不能透過封閉氣孔，因此，炭材料的氣體滲透率與材料的氣孔率沒有數(shù)值上的比例關(guān)系。
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金剛石、石墨和無定形碳這三種同素異構(gòu)體，由于在物理化學(xué)性質(zhì)上存在著許多差異且所有從煤、石油產(chǎn)品及其他有機(jī)化合物制取的炭素材料在石墨化前，大多是無定形碳，因此，下面就對金剛石、石墨和煤炭的不同性質(zhì)作介紹。
金剛石：金剛石的外觀無色透明，通常因所含雜質(zhì)元素的不同而呈淡黃色、天藍(lán)色、藍(lán)色或紅色，有強(qiáng)烈的光澤，屬于等軸晶，常呈八面體。也有其他形狀，它的晶體外觀十分規(guī)整。由于金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中，每個碳原子都以共價鍵與周圍排列,4個碳原子結(jié)成具有四面體結(jié)構(gòu)的晶體，整個晶體是一個巨大的分子，要使其破裂，必須使這些牢固的共價鍵斷開。因此，金剛石在所有物質(zhì)中是最硬的，可用于制造鉆頭等。金剛石的碳原子的價電子彼此共享，完全形成共價鍵而無自由電子，所以幾乎不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性能也很差，但它的折光率很高，經(jīng)琢磨可制成鉆石。
石墨：石墨與金剛石相比，在晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上都是不同的，它是一種碳原子之間呈六角環(huán)形片狀體的多層疊合晶體。石墨有天然石墨和人造石墨兩種。石墨具有良好的導(dǎo)電性，雖然石墨的導(dǎo)電性不能與銅鋁金屬相比,但與其他非金屬材料相比,石墨的導(dǎo)電性是相當(dāng)高的,石墨的導(dǎo)熱性甚至超過了鐵、銅、鋁等金屬材料,石墨又有很好的耐腐蝕性，無論是有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑，都不能溶解它。在常溫下,各種酸和堿與石墨都不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是在500℃以上的溫度時，才與硝酸或氧氣以及強(qiáng)氧化介質(zhì)等起反應(yīng)。
無定形碳：煤炭是泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤等的統(tǒng)稱。煤炭是幾百萬年以前的古代植物在地殼變動時被埋在地下，受到一定的溫度壓力炭化而形成的。各種煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，因此，泥煤中含有大量的揮發(fā)物，結(jié)構(gòu)疏松，無煙煤炭化程度較高,所以無煙煤的揮發(fā)物含量較少，密度與強(qiáng)度都比較高。
]]>19世紀(jì)70年代以后，隨著蒸汽機(jī)、發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，開辟了炭材料在電化學(xué)、電熱等領(lǐng)域的應(yīng)用，電工電刷、電話用炭粒、電解電極、導(dǎo)電碳棒等大量的炭素制品得到廣泛的使用。但這些制品都屬于無定形碳，其容量、耐蝕性及抗熱震性等使用性能是不夠理想的。
近代炭素制品生產(chǎn)史上重要的里程碑是人造石墨電極的發(fā)明，1886年美國人卡斯特納和愛奇遜分別用產(chǎn)生高溫的不同方法使無定形碳轉(zhuǎn)化為石墨晶體，從而使炭質(zhì)電極轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽焓姌O。1895年、1896年相繼出現(xiàn)了艾奇遜石墨化爐和卡斯特納石墨化爐，經(jīng)過 10年左右的時間，人造石墨終于實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代又研制出以針狀焦為原料的高功率和超高功率電爐用的優(yōu)質(zhì)石墨電極，稱為“高功率石墨電極”和“超高功率石墨電極”。人造石墨的出現(xiàn)為炭素工業(yè)的發(fā)展揭開了新的一頁。
材料一直是人類社會進(jìn)化的重要里程碑,有史以來,人類社會的發(fā)展和進(jìn)步，總是與新材料的出現(xiàn)和使用分不開的。如石器時代、青銅時代、鐵器時代都是以材料作為時代的主要標(biāo)志。材料又是技術(shù)進(jìn)步的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。例如，若沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機(jī)技術(shù)，沒有現(xiàn)代的高溫、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，也就沒有今天的字航工業(yè)。材料和元件的突破會導(dǎo)致新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的誕生，對國民經(jīng)濟(jì)甚至對人類生活產(chǎn)生重大影響。
]]>碳的資源以兩種形式存在，一種是循環(huán)型資源，碳被視為組成一切動、植物體的基本元素，如動、植物體中的脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉和纖維素等,這種由植物和動物所代表的生物碳和大氣、海洋中的CO,不斷進(jìn)行著遷移和循環(huán)，形成了生物循環(huán)圈。另一種是循環(huán)速度很慢，數(shù)量極大的堆積物，這種堆積物均為化合物，如碳酸鹽礦物和有機(jī)質(zhì)堆積物等，因?yàn)樘际堑厍蛏闲纬苫衔镒疃嗟脑?，而天然的近于純碳的物質(zhì)數(shù)量非常少，如天然金剛石和石墨。無煙煤是最接近純碳的天然物質(zhì)。此外,碳含量高的原始物質(zhì)還有煤、石油等,這些都是與鋁用炭素生產(chǎn)原料密切相關(guān)的物質(zhì)。
從自然界中取得的純碳(如煤炭、石墨)是歷經(jīng)漫長的轉(zhuǎn)化過程的生成物。作為這些近乎純碳的原始物，可以是煤、石油、植物等。它們是H、0、N、S等有機(jī)物的混合體。煤含碳為60%~90%，木材含碳約50%，石油含碳為80%~90%，天然石墨含碳近100%。因此，炭素原料的來源是非常廣泛的。
碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化炭的過程稱為炭化，其反應(yīng)機(jī)理為熱解。熱解的概念泛指有機(jī)化合物在受熱時所發(fā)生的分解或分解的重合而生成最終產(chǎn)物的過程。石油、煤一般認(rèn)為是在億萬年以前被埋人地層下的動物和植物，在隔絕空氣、受地球熱和地層高壓等條件下轉(zhuǎn)化的結(jié)果。炭化將使碳?xì)浠衔镏械奶急Ａ粝聛?，而氫和其他元素通過受熱分解被排除逸出。
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