Какие технологические параметры процесса графитизации? 

Графитизация — это ключевой технологический процесс, который преобразует аморфный, неупорядоченный слоистый углеродный материал в упорядоченную графитовую кристаллическую структуру. Его ключевые параметры напрямую влияют на степень графитизации, свойства материала и производственную эффективность. Ниже представлены основные технологические параметры и технические моменты процесса графитизации:

I. Основные температурные параметры

Целевой температурный диапазон
При графитизации материал необходимо нагреть до 2300–3000 °С, при этом:

• 2500 °С является критической точкой, при которой значительно уменьшается межпланарное расстояние в графите, и материал начинает формировать упорядоченную структуру;
• при 3000 °С процесс графитизации почти завершается, межпланарное расстояние стабилизируется на уровне 0,3354 нм (идеальное значение для графита), степень графитизации может достигать более 90%.

Время удержания при высокой температуре

• Необходимо удерживать температуру в целевом диапазоне в течение 6–30 часов для обеспечения равномерности температуры в печи;
• во время подачи электроэнергии дополнительно удерживать температуру в течение 3–6 часов, чтобы предотвратить резкое увеличение сопротивления печи и избежать образования дефектов кристаллической решетки из-за температурных колебаний.

II. Контроль кривой нагрева

Поэтапная стратегия нагрева

• Начальный нагревательный этап (0–1000 °С): скорость нагрева контролируется на уровне 50 °С/ч, чтобы способствовать медленному выделению летучих веществ (например, смолы, газов) и предотвратить аварии, связанные с выбросом материала из печи;
• нагревательный этап (1000–2500 °С): скорость увеличивается до 100 °С/ч, сопротивление резистивного материала снижается, ток увеличивается для поддержания мощности;
• этап рекомбинации при высокой температуре (2500–3000 °С): удерживают температуру в течение 20–30 часов для завершения восстановления дефектов кристаллической решетки и переупорядочения микрокристаллов.

Управление выделением летучих веществ

• При загрузке материалы должны быть смешаны в соответствии с содержанием летучих веществ, чтобы избежать локального повышения концентрации;
• в верхней теплоизоляции предусмотрены вентиляционные отверстия для обеспечения эффективного выхода летучих веществ;
• кривая подачи электроэнергии замедляет скорость нагрева на этапе интенсивного выделения летучих веществ (например, 800–1200 °С), чтобы предотвратить неполное сгорание и образование черного дыма.

III. Оптимизация процесса загрузки печи

Равномерное распределение резистивного материала

• Резистивный материал должен загружаться равномерно от головки печи до ее хвоста, чтобы избежать неравномерного тока из-за скопления мелких или крупных частиц;
• новые и старые тигли должны быть разумно сочетаны, их запрещается загружать слоями, чтобы предотвратить локальное перегревание из-за различий в сопротивлении.

Выбор вспомогательных материалов и контроль их зернистости

• Доля порошка 0–1 мм во вспомогательных материалах должна составлять не более 10%, чтобы уменьшить неравномерность сопротивления из-за мелких частиц;
• предпочтение отдается вспомогательным материалам с низким содержанием золы (<1%) и низким содержанием летучих веществ (<5%), чтобы снизить риск адсорбции примесей.

IV. Контроль охлаждения и выгрузки

Процесс естественного охлаждения

• Запрещается принудительное охлаждение путем поливания водой, используют грейферы или аспирационные устройства для постепенной выгрузки материала, чтобы избежать трещин от термического напряжения;
• время охлаждения должно составлять не менее 7 дней для обеспечения плавного температурного градиента внутри материала.

Температура выгрузки и обработка твердой корки

• Оптимальная температура выгрузки тигля составляет около 150 °С, слишком ранняя выгрузка приведет к окислению материала (увеличению удельной поверхности) и повреждению тигля;
• на поверхности тигля при выгрузке образуется твердая корка толщиной 1–5 мм (содержащая небольшое количество примесей), которую необходимо хранить отдельно, а качественный материал упаковывают в тонные мешки для отправки.

V. Определение степени графитизации и ее связь со свойствами

Методы определения

• Рентгеновская дифрактометрия (РД): межпланарное расстояние d₀₀₂ вычисляется по положению дифракционного пика на плоскости (002), степень графитизации g вычисляется по формуле Франклина:

(где c0​ — измеренное межпланарное расстояние, при d002​=0,3360 нм $g=84,05\%$).

• Рамановская спектроскопия: степень графитизации оценивается по отношению интенсивности пиков D и G.

Влияние на свойства

• При увеличении степени графитизации на 0,1 удельное сопротивление снижается на 30%, теплопроводность увеличивается на 25%;
• материал с высокой степенью графитизации (>90%) может достигать электропроводности 1,2×10⁵ См/м, но его ударная вязкость может снижаться, поэтому для балансировки свойств необходимо использовать технологии композитных материалов.

VI. Оптимизация параметров передовых технологий

Каталитическая графитизация

• Использование катализаторов на основе железа/никеля для образования промежуточных фаз Fe₃C/Ni₃C позволяет снизить температуру графитизации до 2200 °С;
• катализатор на основе бора встраивается в углеродные слои, способствуя их упорядочению, температура процесса составляет 2300 °С.

Сверхвысокотемпературная графитизация

• Использование плазменной дуговой нагревки (температура в центре аргоновой плазмы достигает 15 000 °С), поверхность изделий нагревается до 3200 °С, степень графитизации >99%, применяется для производства ядерного и авиационного графита.

Микроволновая графитизация

• Использование микроволн частотой 2,45 ГГц для возбуждения колебаний атомов углерода, скорость нагрева достигает 500 °С/мин, отсутствует температурный градиент, но применимо только для тонкостенных изделий (<50 мм).