炭素材料配料中颗粒最紧密堆积与粒度比例的确定
发布日期： 2018-07-14 09:54:15 阅读量（2475） 作者：一、颗粒最紧密堆积
各种炭素材料制品都是按一定的粒度组成配料，也即用不同尺寸的颗粒按比例配合，以达到最紧密堆积。理论上,当用全部大小相同的正六方体粒子或用正方棱柱的粒子进行堆积，可以达到完整无缺、无孔隙的理想状态，但实际上的粒子都是不规则的。为说明颗粒最紧密堆积，以球形颗粒堆积来加以说明。表1是同一种圆球在理想状态下堆积时的孔隙率。从表1可见，使用同一直径的球体，无论采取何种堆积方式，其最小孔隙率只能是25.95%，其值与球体大小无关。当在直径较大的球体堆积后的孔隙中加入一定数量直径较小的球，则堆积体的孔隙率就下降。若在两组不同直径球体的堆积体中，再加入一定量直径很小的球体，则孔隙率更小，表2为多组球体的堆积特性。实验证明，当堆积用球体超过四组时，孔隙率变化就不明显了，如用二组球配合，且大球与小球直径的比值为7:3时，堆积最紧密。如用三组球，且直径比值为7:1:2时，堆积最紧密。在实际生产中，由于多组颗粒混合不可能完全均匀，也不能达到押想状态堆积，且破碎或磨粉后的炭素原料颗粒一般呈条形成多角形,实际堆积结果会有很大区别，但上述最紧密堆积规律对配方的制订有一定的参考价值。
表1 圆球在理想状态下堆积的孔隙率
表2 多组球体堆积时的孔隙率
二、各种粒度比例的确定
为了使骨料堆积达到较大的堆积密度，炭素材料的骨料配方是由大颗粒、中颗粒和细粉等3〜4种大小不同的颗粒组成的，大颗粒在生制品中起到骨架作用，细粉则是填充大颗粒的间隙。如上所述，在骨料配方内适当增加大颗粒比例，有利于改善制品的耐热震性和降低其热膨胀系数，可以减少焙烧的废品率，但大颗粒过多，制品的孔隙率增加，使制品体积密度下降。增加配方内小颗粒数量，可以提高产品体积密度，减少孔隙率，增加机械强度，产品加工后表面光洁度也较高。但粉料过多时，易于在焙烧及石墨化过程中产生裂纹，使制品的废品率增加。此外，粉料的比例增加，相应黏结剂用量增多，当黏结剂用量超过一定数量后，就会导致炭素材料制品孔隙度增加，而机械强度降低。
实际生产中通常是通过试验方法来获得各种颗粒的合适比例，以保证堆积时达到最大堆积密度。试验方法如下：假如有若干种粒度的骨料，要找出最佳的配比，先选出最大颗粒和次一级颗粒，以质量为100单位的最大颗粒作基准，然后分别把次一级颗粒以0〜100的质量配入，与基准颗粒混合，测定混合料的堆积密度，选出最大堆积密度的配比。以此混合料作为新的基准，用再次一级的颗粒同样按0〜100的质量分别配入基准混合料内，测定各种配比混合料的堆积密度，选出最大堆积密度的三种颗粒混合料作为新的基准，与第四种颗粒混合,依此类推，直到确定出多种颗粒的混合比例。表3为少灰焦两种颗粒混合时的混合料堆积密度：表4为三种颗粒混合时的试验结果。由表3可以看出，在两种颗粒混合时，第5次的实验混合物具有最大堆积密度(0.723g/cm3),经计算，两种颗粒的百分组成为：1.5〜1.0mm粒级占71.4%;1.0〜0.3mm粒级占28.6%。
表3 1.5〜1.0mm与1.0〜0.3mm料混合后的堆积密度
表4 三种粒度的颗粒混合后的堆积密度
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