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主题:【原创】盲人与象第2摸—石墨及纤维 -- 大地窝铺

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  • 家园 【原创】盲人与象第2摸—石墨及纤维

    有些细心的河友谈起碳/石墨纤维的导电性能,这实际上也是个很有趣的话题。我没有什么具体数据,还是像盲人摸象一样,摸到哪聊到哪。

    首先说说飞机上修碳纤维复合材料部件,比如说修发动机风扇机匣整流罩时,可以把它拆下来送到复合材料车间去修,不太严重的损伤就直接在原位修理了。修理时首先要把损伤的碳纤维层打磨掉,打磨掉了几层纤维,就要按原来纤维布的铺层方向修补几层。所以损伤部位最后要打磨成圆形或椭圆形的(理想状态),中间最低,一层比一层扩大半英寸的斜面。这可是技术活,复合材料部件上一层碳纤维布也就0.01英寸,修三层,0.03英寸厚,你要把它打磨成1.5英寸宽的斜面,还要分清楚每一层纤维布的铺层方向!(英寸换毫米?1英寸=25.4毫米,您来做算术)一家飞机修理公司也就只有几个人能把这活做得漂亮。愿为修理最重要的一点,就是一定要保证,打磨的时候,绝对不能让石墨纤维乱飞,所以在工作之前必须用塑料布搭个严严实实的帐篷,才能开工。否则石墨纤维飞到燃油流量控制器等电子器件里,那就灾难了,石墨纤维可是导电的!

    有个家伙周末伟哥多吃,Happy过度,结果周一老是走神,领导冒号问他情况,他说这是工伤,上周五干碳纤维复合材料修理了,脑子里进了些碳纤维,造成短路。

    凭我的直觉,在小电流低温情况下,石墨的导电性肯定不如金属,但在大电流高温条件下,石墨的导电性,或者说可控制性,应该是比金属好的多。要不怎么石墨电极的应用会那么多呢?工业烧陶瓷、铁磁性材料的电加热窑炉,加热棒可是石墨材料的,金属在那么高的温度下早就熔化了!大家都知道集成电路离不开单晶硅,这单晶硅的拉晶方法有两种,一种是直拉法(CZ法),另一种是区熔法(FZ法)。CZ法就是把高纯度的多晶硅块,放到高纯石英做的坩埚里,在直拉单晶炉里加热融化,然后用确定(定位面)的籽晶放到熔融状态的多晶硅液面上,拉出和籽晶定位面一样的单晶硅。现在的拉制单晶硅的技术可真是了不得,前几年已经可以拉出直径12英寸的单晶硅了。单晶硅片是集成电路的基础材料,和多晶硅片、非晶态硅片一起,也是太阳能电池的基础材料。扯得太远,回头说这单晶炉是用什么加热多晶硅的?是石墨加热器,行业内叫石墨热场。看一下石墨热场长啥样吧。

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    CZ法单晶硅炉

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    石墨加热器(热场)

    在往硅链的源头说,这多晶硅是怎么来的?简单说,先用冶金法从石英矿石中炼出硅铁,然后用化学方法做成三氯氢硅,然后用气相沉积法将硅原子沉积到一个用高纯度籽晶棒搭成的倒U字形状的结构上,硅原子一个一个的沉积到籽晶棒上,最后长成6英寸粗细。在高纯净工作间里,工人用纯钨榔头把多晶硅棒敲成拳头大小的多晶块,称量装袋卖给单晶硅工厂。这和石墨有关系吗?还是有!气相的硅原子凭什么要降落到你籽晶棒上呢?原来籽晶是通电的,籽晶的两端接的还是石墨电极。顺便看看多晶硅长啥样吧。

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    多晶硅碎块,这张照片极眼熟,虽然是从海网站Google来的,但我肯定是我亲自照的,这些碎块是手工分拣,然后化学清洗过的,所以发银灰色的金属光泽,而且这张照片经过剪切,因为当时这种小多晶我们是10公斤一袋,很厚的超净塑料袋包装的,照片出来后觉得塑料袋在照片里影响效果。国外多晶硅原厂家的一级产品多晶硅表面粗糙,无光泽。

    石墨除了在工业上应用广泛,在军事上也是很厉害的—石墨炸弹BLU-114/B!海湾战争中,美军的石墨炸弹瘫痪了伊拉克85%的电力供应;接下来在科索沃战争中,又摧毁了塞尔维亚70%的电力基础设施。怎么整的?一颗石墨炸弹里有很多小炸弹,小炸弹筒里装了很多超细的,经过化学处理的石墨纤维束,我猜想为了达到更好的破坏效果,石墨纤维束应该是长短不一的。可能也用不着,一炸开,纤维就长短不一了。石墨炸弹在变电所,变压器跟前爆炸,炸出极多的石墨纤维,搭到哪里,哪里就形成导电通路,然后石墨纤维受热蒸发,形成电弧……,想像一下!金属做的供电设施哪里受的了这般连烧带炸得折腾,Game Over了,修都没法修!

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    石墨炸弹1

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    石墨炸弹2

    砖已抛出,勾引美玉ing。抛花丢草都笑纳!

    照片感谢搜狐网、维基百科网!

    关键词(Tags): #石墨#纤维#多晶硅#单晶硅#石墨炸弹元宝推荐:爱莲, 通宝推:雨楼,

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    • 家园 有个小问题想请教一下

      请问大地兄,树脂增强炭纤维复合材料的飞机构件如果出现破损该怎么探伤呢?这些构件应该是温压机加压成型,但修补的时候又该如何修补呢?而且尽管伤口会被打磨成圆形会减少应力集中,但补上纤维之后新老纤维只是通过树脂连接,破损处的力学性能还是会大打折扣吧?

      • 家园 简单回答一下

        复材构件可以用超声波,射线等探伤方法,检查内部缺陷。修补一般是用一种便携式的Hotbonder(热补仪),通过电热毯加温,抽真空加负压。修理处的力学性能肯定比原始状态有折扣。

    • 家园 谢宝

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    • 家园 全是叉烧包。。。

      图片全部看不到,郁闷

    • 家园 石墨低温时导电也不错。

        是不是比金属好就不知道了,电动机里需要通过大电流的电刷都是石墨做的。它还有个好处就是润滑性好,室外用的锁容易上锈,需要经常上油,但在风沙多的地方上油就容易积沙尘反而不好开。这时石墨就能派上用场了,把铅笔芯刮粉灌进锁芯,又润滑又不沾沙尘。

        另外:

      国外多晶硅原厂家的一级产品多晶硅表面粗糙,无光泽。

        这是不是意味着国内的多晶硅产品质量比国外的好?

    • 家园 石墨的电阻率

      单层石墨(graphene)的电阻率可以小到6E-9 Ohm*m,比体材料的铜还要低。所以graphene,还有碳管,很有可能取代铜成为新一代的芯片内部连接线的材料。

      • 家园 估计够呛

        工业上好像还无法批量地弄出单层来。不能批量生产就没有意义了。

        碳纳米管在半导体制造上前景似乎也是非常黯淡。

        • 家园 工业化生产也有眉目了

          上个月nature上面有两篇文章,都是用化学方法将碳管沿纵轴方向切开,得到graphene ribbons.这帮搞合成的人还是很牛的。这个想法很多人都有,但他们居然真的能做出来的确很不简单。

    • 家园 瞎摸一下石墨电极

      采用石墨做电极而不用金属主要是看重其高温下的机械性能、抗氧化性、导热性和化学稳定性。另外就是便宜了,白金也有类似特性,但价格就太贵了。

      就导电性来说石墨本身就很高,记忆中和铜差不多一个量级(没查资料)。物体的导电性和温度有关,但是一般是温度越低导电性越好,所以楼主的猜测有问题。导电性和电流也没关系,导不导电和施加的电压有关(这个描述不严谨),许多绝缘的东西在高压下会击穿变成导体,平常我们看到的电弧就是空气被击穿了。不过这是另外一个话题了。

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