在高温下，石墨表现出一套独特且极具价值的特性。 与大多数材料在高温下会变弱不同，石墨的机械强度实际上会随着温度升高而增加，最高可达约 2500°C (4532°F)。这一点，加上其出色的抗热震性和耐化学腐蚀性，使其成为极端高温环境的首选材料。
核心要点是，石墨的性能在极端高温下会提高，使其成为高温应用的绝佳选择。然而，这种优势完全取决于控制其主要弱点：在有空气存在下的氧化。
石墨反直觉的强度
强度随热量增加
石墨最显著的高温特性是其强度与热量之间的关系。随着温度的升高，其拉伸强度、抗弯强度和弹性模量都会显著增加。
这种行为一直持续到大约 2500°C，之后随着接近约 3600°C 的升华点，其强度开始下降。这使得它在其他材料会失效的应用中具有结构可靠性。
负载下的低蠕变性
蠕变是材料在高温下承受恒定载荷时发生永久变形的趋势。石墨的蠕变率非常低，即使在超过 2000°C 的温度下也是如此，确保了炉具夹具等结构部件的尺寸稳定性。
卓越的热特性
卓越的抗热震性
石墨能够承受快速和极端的温度变化而不会开裂或失效。这种对热震的抵抗力是两种核心特性共同作用的直接结果。
首先，它的热膨胀系数非常低，这意味着其温度变化时膨胀或收缩的幅度不大。其次，它具有高导热性，能够快速均匀地散热，防止局部应力积聚。
高热发射率
石墨是热能的绝佳辐射体，这一特性被称为高发射率。这使得它能够高效地传递热量，这对真空炉中的加热元件和隔热罩等部件至关重要。
化学稳定性和惰性
高耐腐蚀性
正如许多工业应用中所指出的那样，石墨在化学上是惰性的，并且对大多数酸、碱和溶剂具有很高的耐腐蚀性。这种稳定性在高温下得以保持，甚至常常得到增强。
在不同气氛中的性能
在真空或惰性气氛（如氩气或氮气）中，石墨在极高温度下仍保持稳定。这就是为什么它是真空炉和惰性气体炉热区组件的主导材料。
了解关键限制：氧化
与氧气的反应
石墨在高温下的主要弱点是它与氧气的反应。在存在空气或其他氧化性气体的情况下，石墨会在大约 500°C (932°F) 开始的温度下开始氧化。
这种反应会生成一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO2) 气体，实际上会导致材料烧毁并损失质量和结构完整性。氧化速率随温度的升高而急剧增加。
需要受控环境
由于这种脆弱性，石墨几乎只在真空或保护性非氧化性气氛中用于高温应用。如果必须在空气中使用，则只能在短时间内或使用特殊的抗氧化涂层。
为您的应用做出正确的选择
- 如果您的主要关注点是在极端高温下保持结构完整性： 石墨独特的随着温度升高而变强的能力，使其成为炉架、夹具和结构元件的理想选择。
- 如果您的主要关注点是承受快速加热和冷却循环： 石墨无与伦比的抗热震性确保了坩埚和铸模等部件的长期使用寿命。
- 如果您的主要关注点是化学纯度和非反应性： 其惰性使其非常适合半导体和特种金属行业中的应用。
- 如果您必须在高于 500°C 的开放空气环境中使用： 标准石墨不适用，您必须考虑使用保护涂层的石墨或另一种材料类别，例如陶瓷复合材料。
最终，只要妥善管理石墨一个主要弱点——氧气，它就能在高温环境中保持其主导地位。
摘要表：
| 特性 | 高温下的行为 (>1000°C) | 关键要点 |
|---|---|---|
| 机械强度 | 增加至约 2500°C | 温度越高，强度越大。 |
| 抗热震性 | 极好 | 能承受快速的温度变化而不会开裂。 |
| 化学稳定性 | 高度惰性且耐腐蚀 | 在真空或惰性气氛中表现良好。 |
| 抗氧化性 | 在空气中 500°C 以上时性能差 | 需要保护性气氛以防止燃烧。 |
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