Графитизация углеродных материалов/Graphitization

Графитизация углеродных материалов требует высокотемпературной обработки углеродного материала для придания ему энергии, в результате чего происходит структурное изменение до графита с упорядоченной межслоевой структурой с ван-дер-ваальсовыми силами.

▲ Графитизация-это процесс перегруппировки атомов углерода в графитовые структуры при высоких температурах (Источник изображения: Industry Research Database)

При этом атомы углерода образуют шестичленное или семичленное кольцо, что делает свойства графитовых материалов более стабильными, повышает насыпную плотность, электропроводность, теплопроводность, коррозионную стойкость и обрабатываемость, смазывающие свойства изделий.

Графитированные углеродные материалы имеют широкий спектр применения в области энергетики, электронной упаковки, полупроводников и т. д.

Стадия нагрева: углеродный материал нагревается до определенной температуры, обычно выше 2000°C, в результате чего в нем начинается реакция графитизации. На этом этапе кристаллические частицы углеродного материала начинают расти, и его структура постепенно превращается в кристаллы графита.

Стадия гомогенизации: период времени при нагретой температуре для обеспечения дальнейшего роста кристаллических частиц и их максимально равномерного распределения в материале для достижения конечного эффекта графитизации.

Стадия охлаждения: нагретый материал медленно охлаждается для стабилизации кристаллических частиц, в результате чего образуется твердый графитовый материал. Скорость охлаждения на этой стадии и способ охлаждения оказывают существенное влияние на конечные свойства материала.

Основными факторами, влияющими на графитизацию, являются сырье, температура, время, давление и катализатор.

1) Сырье: Аморфный углерод, который легко превращается в графит при высокой температуре, называется легкографитизируемым углеродом. Нефтяной кокс, игольчатый кокс и т. д. относятся к легко графитизируемым углеродам. Легко графитизируемый углерод в процессе подготовки к карбонизации обычно находится в расплавленном состоянии, и кластеры молекул углерода в его структуре располагаются близко к параллельному расположению друг к другу.

2) Температура определяет степень графитизации. Различные углеродные материалы начинают графитироваться при разных температурах. Нефтяной кокс обычно начинает графитироваться при 1700°C, в то время как игольчатый кокс может вступить в стадию графитизирующего превращения только при температуре около 2000°C. Чем выше температура нагрева, тем ниже удельное сопротивление и тем ближе расстояние между соседними кристаллическими слоями к идеальному кристаллу графита 0,3354 нм, тем выше степень графитизации.

3) Время: степень графитизации и время пребывания при высокой температуре также имеют определенную взаимосвязь, чем выше температура графитизации, тем меньше время, необходимое для перехода в стабильное состояние графитизации, чем больше время изоляции, тем ниже удельное сопротивление, тем выше степень графитизации.

Кроме того, очевидное стимулирующее влияние на графитизацию оказывает опрессовка; добавление катализаторов при определенных условиях может способствовать графитизации, например бора, железа, титана, магния и некоторых их соединений.