英文
strength of polycrystal-line graphite
简介
多晶石墨材料抵抗外力的能力。按外力作用的方式，强度分为抵抗静外力作用的静强度，抵抗冲击外力的冲击强度，抵抗交变外力的疲劳强度。按环境温度可分为常温强度、高温强度(热强度)及低温强度(冷强度)。
石墨制品的强度可用石墨的标准试件作单向载荷(拉伸、压缩、剪切等)试验来确定。从开始加载到破坏的整个过程中，试件截面所经受的最大应力称为石墨的极限强度，通常在不致引起误解的情况下，常简称为强度;按单向加载方式，分别称为拉伸σt、压缩σc和剪切强度σs，在炭素界又常常分别称为抗拉、抗压和抗剪强度。在弯曲试件中，加载方式不是单向的，在试验过程中直至断裂为止出现的最大应力则称为弯曲强度或抗弯强度(抗折强度)。
比例极限与弹性极限 石墨材料在外力作用下应力σ和应变ε成比例关系的最大应力称为比例极限，即图1中p点所对应的应力。卸载后试件能恢复原状的最大应力称为弹性极限或弹性极限应力σe，max，即图1中e点所对应的应力，超出后就产生残余形变。对金属材料p、e不重合，对石墨之类的脆性材料来说，这两点常常不加区别。石墨的比例极限难以准确测定，通常在拉伸试验中，把形变量达到0.01%的应力值规定为比例极限，称为条件比例极限，记为σ0.01。
流动极限 又称屈服极限，或屈服应力σy，即图1中y点所对应的应力，在此点之后即使应力不再增大，试件仍继续伸长，曲线上出现一水平阶段。这一现象称为屈服或流动。流动极限的精确测定比较麻烦，工程上把残余形变达到0.2%时的应力值作为流动极限，称为条件流动极限σ或条件屈服强度σ0.2(图2)。另一种定义条件屈服强度的办法是如图3所示，把拉伸曲线中与通过原点的割线(其斜率为0.7E)，相交之处所对应的强度称为条件屈服强度，记为σyE，E为石墨的杨氏弹性模量。σyE较之σ0.2比较常用，因为残余形变的准确测定十分费事。在拉伸应力下的屈服强度一般只在高温下(≥2000℃)测试，在压缩应力下，也常在常温下测试。(见多晶石墨的应力·应变性能)σ0.2与σy两者很接近。
相对形变 石墨在达到强度极限应力时应变的相对变化称为相对形变εp，通常以百分率表示。
图1 石墨应力—应变曲线上的特性点
图2 条件屈服强度σ0.2示意图
图3 条件屈服强度σyE示意图
σt、σs、σb、σc、σe，max、σyE等为石墨的常规强度参数，以区别于断裂韧性，对径圆盘压裂强度、疲劳强度等参数。几种典型石墨的常规强度数值见表1。由小到大排列的强度序列总是依次为抗拉、抗剪、抗弯、抗压。比值σc/σt最大可达8，最小为2左右，一般在3～5之间。在拉伸应力作用下，裂纹张开，裂纹容易扩展，因而容易导致断裂;而在压缩应力的作用下，裂纹闭合，不容易扩展，与拉伸相比要在大得多的应力下才能产生断裂。这就是压缩强度远远大于拉伸强度的原因。对于与成型轴平行和垂直这两个方向来说，挤压石墨在平行方向的强度总高垂直方向，几无例外，模压石墨则与之相反，垂直方向大于平行方向，但对抗压强度来说却有少数例外的情况。
表1 常温下几种典型石墨的常规强度
| 石墨牌号 | 成型方法 |
体积密度 d/g·cm-3 |
取向 |
弹性 模量 E/GPa |
条件弹 性极限 σ0.01/MPa |
条件屈 服条件 σyE/MPa |
抗拉 强度 σt/MPa |
抗剪 强度 σs/MPa |
抗弯 强度 σb/MPa |
抗压 强度 σc/MPa |
σc/σt |
| МГ | 模压 | 1.55 | ⊥ | 5.0 |
7.0，拉 18.0，压 |
20，压 | 7.0 | 9.5 | 13.0 | 18.0 | 2.6 |
|
ГМЗ- А |
挤压 | 1.68 |
∥ ⊥ |
6.60 4.83 |
6.0，拉 5.5，拉 |
9.0 7.0 |
12.0 10.0 |
19.0 14.0 |
34.0 33.0 |
3.8 4.7 |
|
| ЗОПГ | 挤压 | 1.82 |
∥ ⊥ |
8.90 8.53 |
32.0，拉 36.0，拉 |
14.0 13.0 |
16.0 | 22.0 | 47.5 | 3.7 | |
| ВПП | 模压 | 1.93 |
∥ ⊥ |
8.55 9.11 |
5.6，拉 31.0，压 |
52.0，压 | 14.7 | 19.1 | 25.1 |
67.8 64.7 |
4.6 |
| ASR-ORB | 模压 | 1.65 |
∥ ⊥ |
9.45 10.7 |
9.45 10.7 |
11.4 11.9 |
58.0 50.4 |
6.1 4.7 |
|||
| PGA | 挤压 | 1.70 |
∥ ⊥ |
11.0 6.0 |
10.0 6.0 |
14.0 9.0 |
30.0 30.0 |
3.0 5.0 |
|||
| AGOT | 挤压 | 1.70 |
∥ ⊥ |
10.0 8.0 |
10.0 9.0 |
16.0 13.0 |
41.0 41.0 |
4.1 4.6 |
|||
| ATJ | 模压 | 1.75 |
∥ ⊥ |
8.0 10.0 |
10.0 12.0 |
25.0 28.0 |
59 57 |
5.9 4.8 |
|||
| ZTA | 热模压 | 1.95 |
∥ ⊥ |
6.0 18.0 |
8.0 28.0 |
17.0 37.0 |
80 50 |
8.0 1.8 |
|||
| IG-110 | 等静压 | 1.73 |
∥ ⊥ |
9.57 9.97 |
24.9 24.0 |
34.7 32.8 |
73.4 69.6 |
2.9 2.9 |
对于容积密度在1.66～1.81 g/cm3之间的IG-11、PGX、ATJ等10种牌号的石墨，根据大量实测数据统计，几种常规强度之间有如下的关系：
σt＝0.87σb-5.82，MPa
σb＝0.46σc-0.09，MPa
σt＝0.40σc-6.55，MPa
在σt、σb、σc这3种强度之中，测知其中任一种，即可推知其他两种的统计期望值。
温度与强度 石墨的强度随温度的升高而增大，这是石墨材料一个显著的特点。模压成型的ВПП高密石墨在2800℃下的抗拉强度为常温的3.4倍。挤压成型的ΓМЗ-А普通石墨(d=1.68 g/cm3)，在2000℃下的抗压强度为常温的1.5倍。挤压成型的AGOT细颗粒石墨(d=1.72 g/cm3)，在平行与垂直方向，2500℃下的抗拉强度分别为常温的1.9和2.1倍。从常温开始，石墨强度随环境温度的上升而增高，一般在2000～2500℃之间达到最大值，之后稍有下降;弹性极限与屈服极限随温度也有类似的变化。具体情况，举两例加以说明(表2、表3)。温度的这种效应也不难用空隙再填充的观点来加以阐明(见多晶石墨的弹性)。
表2 ВПП，平行方向(一)
|
温度 t/℃ |
弹性极限 σ0.01/MPa |
屈服极 限σyE /MPa 压缩 |
抗拉 | 抗压 | |||
|
σt，∥ /MPa |
εr/% |
σc，∥ /MPa |
εr/% | ||||
| 拉伸 | 压缩 | ||||||
| 20 | 5.6 | 31.0 | 52.0 | 13.5 | 0.33 | 69.0 | 1.95 |
| 1000 | 12.7 | 39.5 | 5.9 | 18.0 | 0.27 | 73.5 | 1.78 |
| 1500 | 16.0 | 43.5 | 63.5 | 20.0 | 0.22 | 77.0 | 1.60 |
| 2000 | 15.3 | 49.0 | 70.5 | 24.5 | 0.20 | 88.5 | 2.73 |
| 2500 | 16.3 | 42.0 | 57.0 | 28.0 | 0.41 | ||
| 2800 | 11.0 | 24.0 | 37.5 | 32.0 | 8.13 | ||
| 3000 | 7.2 | 19.5 | 30.5 | 22.5 | 9.62 | ||
注：表中空格为试件的形变继续增大，但未断裂。
表3 B
，平行方向(二)
| 温度t/℃ |
弹性极限 σ0.01/MPa |
屈服极限 σyE/MPa |
抗压强度 σc/MPa |
相对形变 εr/% |
||||
| ∥ | ⊥ | ∥ | ⊥ | ∥ | ⊥ | ∥ | ⊥ | |
| 20 | 27.0 | 22.5 | 34.0 | 29.0 | 34.0 | 33.0 | 1.6 | 2.0 |
| 500 | 27.0 | 22.5 | 32.0 | 28.0 | 34.5 | 33.5 | 2.3 | 2.5 |
| 1000 | 27.0 | 25.0 | 34.0 | 30.0 | 36.5 | 37.0 | 2.4 | 3.0 |
| 1500 | 34.0 | 23.5 | 40.0 | 30.0 | 48.5 | 38.0 | 2.1 | 1.9 |
| 2000 | 35.0 | 29.5 | 39.5 | 34.5 | 50.5 | 48.5 | 2.3 | 3.1 |
| 2500 | 23.5 | 20.5 | 31.5 | 26.0 | ||||
粒度、密度与强度 石墨种类繁多，性能各异，强度与其他性能之间难以归纳出一个包罗各种因素的明确而统一的规律。只有两点带有普遍性，对焦炭加沥青制成的石墨而言：(1)焦炭平均粒度越大，强度越低;(2)石墨体积密度越大，即孔隙率越小，强度越高。但具体的定量关系，各类石墨互不相同。例如，有12种不同的细颗粒石墨，最大粒径小于1mm，石墨之间最大粒径之差达到两个数量级;这些石墨的抗弯强度，经统计处理得到如下的表达式：
b=KS-aexp(-bp) (1)
式中S为最大颗粒直径/mm; p为孔隙分率;K、a、b为常数，此例中K=38，b=6.8，a=0.5;σb为平均抗弯强度，σb=(σb，∥+2σb，⊥)/3。
这一关系式的提出者认为，石墨的受力断裂，可以用格里菲思(A.A.Griffith)关于裂纹扩展的理论加以处理，临界裂纹长度与石墨中最大颗粒尺寸相当。严格地说，这只是一个用统计方法归纳出来的经验公式，其形式只大致适合于细颗粒石墨;K、a、b参数的取值，因情况而异，并非固定不变。
另一类最大粒径为0.4～6.7 mm的粗颗粒石墨，实测的σb与d的关系见图5。从实测数据中可归纳出：
σb=HS-0.23 (2)
式中S为最大粒径，mm; H为密度d的函数，H=13.4+88.0 (d-1.60); d为石墨的体积密度，g/cm3。
计算值的相对误差小于4%。
式(1)、(2)中最大粒径S的幂指数均为负值，即S越小，强度越大。细颗粒石墨的幂指数绝对值大于粗颗粒石墨(0.5对0.23)。粒径减小一半，强度的增加值： 细粒石墨为41%[(1/2)-0.5=1.41]，粗粒石墨则仅为17%[(1/2)-0.23=1.17]。以减小填充料粒度来提高强度的办法，对细颗粒石墨最为有效。
图4 抗弯强度与孔隙率和填料粒度的关系实线—表达式(1);点线—回归分析的标准差
图5 石墨强度与密度的关系(最大颗粒0.4～6.7mm)
浸渍处理可以提高石墨的密度，因而石墨的强度和模量也随之增大。例如，一种细颗粒挤压成型的核石墨经多次糖浆浸渍，其体积密度和顺粒方向的抗弯强度随浸渍次数的增加而提高，如图6所示。图中虚线表示强度与密度之间大体呈线性关系，从直线上读出的强度值与实测值之差最大不超过10%。浸渍只是单纯地降低孔隙率、提高密度，石墨结构的有序性、晶粒尺寸等均保持不变，所以在这一过程中，强度与模量呈线性关系(图9);这与石墨焙烧坯在不同热处理温度下，这两个参数所表现出的墨晶粒尺寸和晶体的完善程度均随热处理温度的提高而不断改变，热处理对模量的影响远大于对强度的影响。
图6 浸渍处理过程中强度与密度的关系(数据点旁的数字为浸渍次数)
对经煤沥青浸渍处理后的几种电极石墨的抗压强度 σc与体积密度 d 的关系，前苏联学者切尔内赫(В.А.Черных)由黏结剂沥青的孔隙率与强度的关系出发，提出了如下的表达式：
当体积密度达到2.20g/cm3时，σc达到极限值
125MPa。
图7表明，在体积密度为1.70～2.0g/cm3范围
图7 σc与d的关系
(实测值与理论曲线对比)
△—未浸;○—浸3次;●—浸5～7次
内，强度与密度近似地呈线性关系：σc＝135d-193，MPa。对经气相热解石墨沉积增密处理后的ΓМЗ-А石墨也表现出类似这样的线性关系(图8)。
图8 热解石墨增密过程中强度与密度的关系
图9 浸渍处理过程中强度与模量的关系
热处理温度与强度 炭质焙烧坯料要经过高温处理之后才能成为石墨。随着热处理温度的增高，强度及弹性模量均随之下降，至2200℃左右达到最低点，之后又微有上升;相对形变却先升后降，其最高点也约在2000～2200℃之间。以一种挤压成型的细颗粒炭质坯料为例，在不同热处理温度下的强度σb及弹性模量E和断裂相对形变εr见图10。这是一个比较典型的例子。不同坯料，情况互不相同，但总的趋势大体相似。断裂时试件单位体积中的形变能U0按弹性理论应为：
U0＝Eε2r/2 (4)
如E以MPa为单位，则U0以MJ/m3为单位。在此例中，U0为一常量，几乎不随温度变化。
式(5)所示关系，即σb-E曲线为一抛物线，对称于E轴并通过原点，图11。对不同坯料，情况也不尽相同;U0随热处理温度的变化并不总是如此稳定。
图10 强度、模量、相对形变随热处理温度的变化
图11 在热处理过程中强度与模量的关系
中子辐照与强度 中子辐照会提高石墨的强度，这一现象称为辐照强化或强化效应;特别是在低温下进行辐照，强化效应十分显著，经辐照后强度可增加到原有数值的1.5倍以上。随着辐照温度的升高，强化效应逐渐下降。辐照强化效应的大小还与辐照剂量有密切关系，剂量增加到一定程度之后，辐照强化趋于稳定。ГM3石墨抗压强度的相对增长量△σ/σ与辐照剂量F的关系见图12。
石墨材料在辐照过程中，各种强度σt、σb、σc具有同样的相对变化。对每一种石墨来说，比值△σ/σ几乎不变，与平均值的偏差不超过10%。
图12 不同辐照温度下△σ/σ与F的关系
氧化与强度 石墨在经受氧化的过程中，强度随氧化程度的增高而下降。氧化程度用氧化失重率来表示。
B=(W0-W)/W0 (6)
式中W0、W分别为石墨试件氧化前后的重量。例如，两种细颗粒核石墨IG-11 (近于同性，d =1.75 g/cm3) 及 TS-1621 (挤 压 成 型，d =1.70 g/cm3 )，于600℃下在空气中氧化，其σb、σc及用圆盘对径压裂法测得的拉伸强度σH均随氧化失重率的增加而下降。σ与B的关系均大体符合负指数规律(图13、14、15)。
图13 抗弯强度与失重率的关系
IG-11：σb=39.0 ex p (-9.66B);
TS-1621：σb=19.3 exp (-9.11B)
σ=σ0 exp (-nB) (7)
式中σ0为未氧化前的强度;σ为失重率为B时的强度;n为常数。
1978年，淡路英夫等提出用圆盘对径压裂法测σH的方法(图16)，加压时在与加压方向垂直的直径方向产生拉伸应力。石墨试件的半径为R，厚为t，压头与圆盘接触部分的实测宽度为2b，圆盘破裂时的荷载为P，σH的计算式如下：
σH=[1-1.5(b/R)+0.22(b/R)]P/πRt (8)
图14 抗压强度与失重率的关系
IG-11：σc＝64.0exp(-6.21B);
TS-1621：σc=44.1exp(-7.14B)
图15 圆盘试验拉伸强度σH与失重率的关系
IG-11：σH=10.7exp(-4-32B);
TS-1621：σH=9.16 exp(-6.36B)
图16 圆盘对径压裂法示意图