Какова температура, необходимая для обработки графита? 

Графитизация обычно требует высоких температур в диапазоне от 2300 до 3000°C, её основной принцип заключается в том, что при высокотемпературной термической обработке атомы углерода переходят из беспорядочного расположения в упорядоченную графитовую кристаллическую структуру. Ниже представлен подробный анализ:

I. Диапазон температур при обычной графитизации

А. Базовые температурные требования

При обычной графитизации температура должна быть повышена до 2300–3000°C, при этом:

• 2500°C является ключевым переходным моментом, при этом расстояние между слоями атомов углерода значительно уменьшается, а степень графитизации быстро повышается;
• после 3000°C изменения замедляются, графитовые кристаллы стремятся к совершенству, но дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению предельного эффекта улучшения характеристик.

Б. Влияние различий в материалах на температуру

• Легкографитизирующийся углерод (например, нефтяной кокс): начинает переходить в стадию графитизации при 1700°C, степень графитизации значительно повышается при 2500°C;
• Труднографитизирующийся углерод (например, антрацит): для достижения аналогичного превращения требуется более высокая температура (близкая к 3000°C).

II. Механизм упорядочивания атомов углерода под воздействием высоких температур

А. Первая стадия (1000–1800°C): выделение летучих веществ и двухмерное упорядочивание

• Разрываются алифатические цепи, связи C-H и C=O, водород, кислород, азот, сера и другие элементы выделяются в виде мономеров или простых молекул (например, CH₄, CO₂);
• слои атомов углерода расширяются в двухмерной плоскости, высота микрокристаллов увеличивается с 1 нм до 10 нм, но накопление слоев не изменяется существенно;
• происходят одновременно эндотермический процесс (химическая реакция) и экзотермический процесс (физический процесс, например, высвобождение интерфейсной энергии при исчезновении границ микрокристаллов).

Б. Вторая стадия (1800–2400°C): трехмерное упорядочивание и восстановление границ зерен

• Частота тепловых колебаний атомов углерода увеличивается, подчиняясь закону минимальной свободной энергии, сетчатые слои переходят к трехмерному расположению;
• дислокационные линии и границы зерен на кристаллических плоскостях постепенно исчезают, на рентгеновской дифрактограмме появляются резкие линии (hko), (001), что свидетельствует о формировании трехмерного упорядоченного расположения;
• часть примесей образует карбиды (например, карбид кремния), которые при более высоких температурах распадаются на металлический пар и графит.

В. Третья стадия (выше 2400°C): рост зерен и рекристаллизация

• зерна в направлении оси a в среднем увеличиваются до 10–150 нм, в направлении оси c достигают примерно 60 слоев (около 20 нм);
• атомы углерода совершенствуют решетку путем внутреннего или межмолекулярного перемещения, при этом скорость испарения углеродного вещества экспоненциально увеличивается с повышением температуры;
• происходит активный обмен веществами между твердой и газовой фазами, формируется высокоупорядоченная графитовая кристаллическая структура.

III. Оптимизация температуры с помощью специальных процессов

А. Каталитическая графитизация

Добавление катализаторов, таких как железо или ферросилиций, позволяет значительно снизить температуру графитизации до 1500–2200°C. Например:

• катализатор ферросилиция (содержание кремния 25%) может снизить температуру с 2500–3000°C до 1500°C;
• катализатор BN может снизить температуру ниже 2200°C и повысить ориентацию углеродных волокон.

Б. Сверхвысокотемпературная графитизация

Используется для сценариев, требующих высокой чистоты, таких как ядерный и авиационный графит, требует нагревания с помощью среднечастотной индукционной нагревки или плазменной дуговой нагревки (например, температура в центре аргоновой плазмы достигает 15000°C), чтобы температура поверхности изделий превышала 3200°C;

• степень графитизации > 0,99, содержание примесей крайне низкое (содержание золы < 0,01%).

IV. Влияние температуры на эффект графитизации

А. Удельное сопротивление и теплопроводность

При повышении степени графитизации на 0,1 удельное сопротивление снижается на 30%, а теплопроводность увеличивается на 25%. Например, после обработки при 3000°C удельное сопротивление графита может снизиться до 1/4–1/5 от исходного значения.

Б. Механические характеристики

Высокая температура уменьшает расстояние между слоями графита до значения, близкого к идеальному (0,3354 нм), значительно повышает термостойкость и химическую стабильность (коэффициент линейного расширения снижается на 50–80%), а также придает материалу смазывающие свойства и износостойкость.

В. Повышение чистоты

Температура 3000°C может разрушить химические связи 99,9% соединений в природе, примеси выделяются в газообразной форме, чистота продукта достигает 99,9% и выше.