Что конкретно означает процесс “графитизации”? 

“Графитизация”
“Графитизация” относится к процессу высокотемпературной термообработки (обычно проводимой при температуре от 2000°C до 3000°C или даже выше), который преобразует микроструктуру углеродсодержащих материалов (таких как нефтяной кокс, каменноугольный пек, антрацитовый уголь и т.д.) из неупорядоченного или низкоупорядоченного состояния в однородное. слоистая кристаллическая структура похожа на природный графит. Суть этого процесса заключается в фундаментальной перестройке атомов углерода, которая придает материалу уникальные физические и химические свойства, характерные для графита.

Подробный процесс и механизм графитизации
Этапы термообработки
Низкотемпературная зона (<1000°C)
Летучие компоненты (например, влага, легкие углеводороды) постепенно улетучиваются, и структура начинает слегка сжиматься. Однако атомы углерода остаются преимущественно неупорядоченными или упорядоченными на короткое время.
Зона средних температур (1000-2000°C)
Атомы углерода начинают перестраиваться в результате теплового движения, образуя локально упорядоченные гексагональные сетчатые структуры (напоминающие плоскую структуру графита). Однако выравнивание промежуточных слоев остается нарушенным.
Зона высоких температур (>2000°C)
При длительном воздействии высоких температур слои углерода постепенно выстраиваются параллельно друг другу, образуя трехмерно упорядоченную слоистую кристаллическую структуру (графитизированную структуру). Межслойные взаимодействия ослабевают (ван-дер-ваальсовы взаимодействия), в то время как прочность ковалентной связи в плоскости увеличивается.
Ключевые структурные преобразования
Перегруппировка атомов углерода: переход от аморфной “турбостатической” структуры к упорядоченной “слоистой” структуре, в которой атомы углерода, расположенные в плоскости, образуют sp2-гибридизованные ковалентные связи и межслойную связь с помощью ван-дер-ваальсовых сил.
Устранение дефектов: Высокие температуры уменьшают кристаллические дефекты (например, вакансии, дислокации), повышая кристалличность и структурную целостность.
Основные цели графитизации
Повышение электропроводности
Упорядоченные атомы углерода создают проводящую сеть, обеспечивающую свободное перемещение электронов внутри слоев и значительно снижающую удельное сопротивление (например, удельное сопротивление графитированного нефтяного кокса более чем в 10 раз ниже, чем у неграфитированных материалов).
Области применения: Электроды аккумуляторных батарей, угольные щетки, компоненты электротехнической промышленности, требующие высокой электропроводности.
Улучшенная термическая стабильность
Упорядоченные структуры устойчивы к окислению или разложению при высоких температурах, что повышает термостойкость (например, графитированные материалы выдерживают температуру >3000 °C в инертной среде).
Области применения: Огнеупорные материалы, высокотемпературные тигли, системы тепловой защиты космических аппаратов.
Оптимизированные механические свойства
В то время как графитизация может снизить общую прочность (например, снизить прочность на сжатие), слоистая структура создает анизотропию, сохраняя высокую прочность в плоскости и снижая хрупкость.
Области применения: Графитовые электроды, крупногабаритные катодные блоки, для которых требуется устойчивость к тепловому удару и износу.
Повышенная химическая стабильность
Высокая кристалличность уменьшает количество поверхностно-активных центров, снижая скорость реакции с кислородом, кислотами или щелочами и повышая коррозионную стойкость.
Применение: Контейнеры для химикатов, футеровка электролизеров в агрессивных средах.
Факторы, влияющие на графитизацию
Свойства сырья
Более высокое содержание фиксированного углерода облегчает графитизацию (например, нефтяной кокс графитизируется легче, чем каменноугольный пек).
Примеси (например, сера, азот) препятствуют перестройке атомов и требуют предварительной обработки (например, обессеривания).
Условия термообработки
Температура: Более высокие температуры повышают степень графитизации, но увеличивают стоимость оборудования и энергопотребление.
Время выдержки: Увеличенное время выдержки улучшает структуру, но чрезмерная продолжительность может привести к укрупнению зерен и ухудшению эксплуатационных характеристик.
Атмосфера: Инертные среды (например, аргон) или вакуум предотвращают окисление и способствуют реакции графитизации.
Добавки
Катализаторы (например, бор, кремний) снижают температуру графитации и повышают эффективность (например, легирование бором снижает требуемую температуру на ~500°C).

Примеры практического применения
Графитовые электроды
Нефтяной кокс или каменноугольный пек графитизируют для получения высокопрочных электродов с высокой проводимостью для выплавки стали в электродуговых печах, выдерживающих температуру >3000°C и интенсивные токи.
Аноды для литий-ионных аккумуляторов
Природный или синтетический графит (графитизированный) служит в качестве анодного материала, благодаря своей слоистой структуре обеспечивая быструю интеркаляцию/деинтеркаляцию литий-ионов, повышая эффективность зарядки/разрядки.
Науглероживатель для сталеплавильного производства
Графитированный нефтяной кокс с его пористой структурой и высоким содержанием углерода быстро увеличивает содержание углерода в расплавленном чугуне, сводя к минимуму попадание примесей серы.