石墨会收缩吗？温度和辐射对尺寸稳定性的关键作用

简而言之，是的，石墨会收缩，但其行为比简单的热收缩复杂得多。虽然所有材料在冷却时都会收缩，但石墨最剧烈和最显著的收缩并非仅由温度变化引起。它主要由在特定温度下暴露于强中子辐照驱动，这是核应用中的一个关键现象。

核心要点是：尽管石墨因其出色的热稳定性而备受推崇，但其最显著的尺寸变化是由其工作环境引起的。对于大多数用途而言，收缩可以忽略不计；但对于核应用而言，它是决定材料寿命的主要设计约束。

尺寸变化的两个驱动因素

要理解石墨的收缩，必须将其行为分为两大类：标准热效应和更复杂的辐照诱导效应。

石墨以其极低的热膨胀系数 (CTE) 而闻名。这意味着它在加热时膨胀极少，因此在冷却时收缩也极少。

这种稳定性的原因在于其原子结构。石墨烯层内强大的共价键抵抗膨胀，使材料具有尺寸稳定性。

对于核反应堆以外的大多数应用——例如熔炉、坩埚或电火花加工 (EDM) 电极——热收缩是您会遇到的唯一收缩形式。它是微小的、可预测的，很少成为设计问题。

这是最关键和最复杂的因素。当在核反应堆中使用时，石墨会受到高能中子的轰击。这种轰击会将碳原子从其晶格位置撞出，产生缺陷。

这种损害，通常称为维格纳效应 (Wigner effect)，会导致材料体积和形状发生显著变化。结果在很大程度上取决于工作温度。

在低于约 300°C 的温度下，这些缺陷的积累主要导致石墨膨胀或起泡。

然而，在大多数现代反应堆的较高工作温度（高于 300°C）下，会发生一个竞争效应。原子空位变得具有移动性并聚集在一起，导致晶格平面坍塌。这导致石墨部件的整体收缩。

石墨的具体等级对其对这些条件的响应有深远影响。你不能将所有石墨视为同一种材料。

在制造过程中，石墨的晶体颗粒可以沿特定方向排列（各向异性）或随机取向（各向同性）。

各向异性石墨，通常通过挤压形成，沿不同轴线收缩和膨胀的方式不同。这可能导致翘曲。

各向同性石墨，通过模压成型，在所有方向上都具有均匀的性能。它的收缩和膨胀更可预测，使其成为大多数高性能核应用的首选。

制造过程也决定了石墨晶粒的大小和完美程度。具有细小、排列良好的晶体的材料通常比排列较差的等级更能抵抗辐照损伤，并表现出更可预测的尺寸变化。

使用石墨进行设计需要承认其复杂性。使其在某些环境中独一无二的特性也带来了挑战。

对辐照引起的收缩进行建模并非易事。它取决于中子剂量（注量）、温度以及石墨的具体等级。工程师必须依赖从测试计划中收集的、针对他们打算使用的确切材料的广泛经验数据。

初始的高温收缩阶段不会永远持续。达到最大密度点后，石墨将“反转”并开始快速膨胀，因为新的微裂纹形成。这种后期膨胀通常是限制石墨部件在反应堆中运行寿命的因素。

为最大化尺寸稳定性而设计的核级各向同性石墨，比标准工业级石墨贵得多。在关键应用中使用更便宜、表征不足的等级可能导致过早且不可预测的故障。

您对石墨的处理方法必须由其预期环境决定。没有一刀切的答案。

如果您的主要关注点是高温热稳定性（例如，熔炉部件、坩埚）： 您可以依赖石墨极低的热收缩率，这将是微小且可预测的。
如果您的主要关注点是在辐射环境中的性能（例如，核反应堆慢化）： 您必须设计以应对显著的初始收缩和后期的膨胀，选择具有记录良好的性能数据的特定核级各向同性石墨。
如果您的主要关注点是高精度加工（例如，EDM 电极）： 选择细晶粒各向同性等级以确保其均匀性，因为其最小的热变化将确保使用过程中最高的尺寸精度。

通过了解控制石墨行为的机制，您可以选择正确的材料并设计出稳健可靠的系统。