Что это за технология “каталитизации графита”? 

Каталитическая графитизация — это технология, при которой в процессе приготовления углеродных материалов добавляются специальные катализаторы (например, железо, ферросилиций, бор и т. д.), что способствует превращению аморфного углерода в графитовую структуру при более низких температурах.

Технологический принцип

Ядро каталитической графитизации заключается в использовании катализаторов для снижения активационной энергии реакции графитизации и ускорения перехода атомов углерода из беспорядочного расположения в упорядоченную графитовую структуру. Его механизм включает в основном две теории:

Механизм нерастворимости-осаждения:

Аморфный углерод растворяется в расплавленной смеси, образованной катализатором. Когда расплав достигает перенасыщенного состояния, атомы углерода выпадают в виде графитовых кристаллов.
Например, при 1600°C ферросилициевый катализатор растворяет 2% углерода, что способствует выпадению углерода в виде графита. В то же время образовавшаяся гексагональная структура карбида кремния способствует формированию графита.

Механизм образования-разложения карбидов:

Катализатор реагирует с углеродом, образуя карбиды, которые при высоких температурах разлагаются на графит и металлический пар.
Например, оксид железа взаимодействует с углеродом, образуя железо и оксид углерода. Железо затем соединяется с углеродом, образуя карбид железа, который в конечном итоге разлагается на легкографитизирующийся углерод и железо.

Виды катализаторов и их эффекты

Ферросилициевый катализатор:

Наилучший эффект достигается при содержании кремния 25%, что позволяет снизить температуру графитизации с 2500-3000°C до 1500°C.
Размер частиц ферросилиция влияет на каталитический эффект: при уменьшении размера частиц с 75 мкм до 50 мкм удельное сопротивление снижается, но слишком мелкие частицы (<50 мкм) приводят к увеличению удельного сопротивления.

Боровый катализатор:

Может снизить температуру графитизации ниже 2200°C и повысить ориентацию углеродных волокон.
Например, после термообработки окисленной графеновой пленки с добавлением 0,25% борной кислоты при 2000°C электропроводность повышается на 47%, а степень графитизации — на 80%.

Железный катализатор:

Температура плавления железа составляет 1535°C, после добавления кремния температура плавления снижается примерно до 1250°C, и каталитическое действие начинается при 1250°C.
При 2000°C железо улетучивается в газообразном виде, а при температуре выше 2240°C кремний улетучивается в виде пара и не остается в изделии.

Технологические преимущества

Снижение энергопотребления:

Традиционная графитизация требует высоких температур 2000-3000°C, а каталитическая графитизация позволяет снизить температуру примерно до 1500°C, что значительно экономит энергию.

Сокращение производственного цикла:

Каталитическое действие ускоряет перестройку атомов углерода, сокращая время графитизации.

Улучшение свойств материала:

Каталитическая графитизация может восстанавливать структурные дефекты и повышать степень графитизации, улучшая тем самым электропроводность, теплопроводность и механическую прочность.
Например, графеновая пленка, полученная при каталитической графитизации с использованием бора, имеет электропроводность 3400 См/см и подходит для применения в гибкой электронике, экранировании электромагнитных помех и других областях.

Области применения

Электродные материалы:

Графитовые электроды, полученные при каталитической графитизации, обладают высокой электропроводностью и термостойкостью, что делает их пригодными для применения в металлургической, электрохимической и других отраслях промышленности.

Энергоаккумулирующие материалы:

Графитизированные углеродные материалы используются в анодах литиевых/натриевых батарей, повышая удельную емкость заряда-разряда и циклическую стабильность.

Композиционные материалы:

Технология каталитической графитизации позволяет получать высокопроизводительные углерод-углеродные композиционные материалы для применения в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении и других областях.

Технологические вызовы

Выбор и оптимизация катализаторов:

Эффективность различных катализаторов значительно различается, поэтому необходимо выбирать подходящие катализаторы в зависимости от типа материала и технологических условий.

Проблема остатков катализаторов:

Некоторые катализаторы (например, ванадий) имеют высокую температуру плавления и трудно полностью удаляются после графитизации, что может повлиять на чистоту материала.

Контроль технологического процесса:

Каталитическая графитизация чувствительна к таким параметрам, как температура, атмосфера и время, поэтому требуется точный контроль, чтобы избежать переграфитизации или недостаточной графитизации.