Ի՞նչ ջերմաստիճան է պահանջվում գրաֆիտացման մշակման համար։

Գրաֆիտացման մշակումը սովորաբար պահանջում է բարձր ջերմաստիճաններ՝ 2300-ից մինչև 3000℃, որի հիմնական սկզբունքը ածխածնի ատոմների վերափոխումն է անկարգ դասավորվածությունից կարգավորված գրաֆիտային բյուրեղային կառուցվածքի՝ բարձր ջերմաստիճանային ջերմային մշակման միջոցով: Ստորև ներկայացված է մանրամասն վերլուծությունը.

I. Ջերմաստիճանային միջակայք ավանդական գրաֆիտացման մշակման համար

Ա. Հիմնական ջերմաստիճանի պահանջները

Ավանդական գրաֆիտացումը պահանջում է ջերմաստիճանը բարձրացնել մինչև 2300-ից 3000℃ միջակայք, որտեղ՝

• 2500℃-ը նշանավորում է շրջադարձային կետ, որի դեպքում ածխածնի ատոմների շերտերի միջև հեռավորությունը զգալիորեն նվազում է, իսկ գրաֆիտացման աստիճանը արագորեն աճում է։
• 3000℃-ից բարձր ջերմաստիճանում փոփոխությունները դառնում են ավելի աստիճանական, և գրաֆիտային բյուրեղը մոտենում է կատարելության, չնայած ջերմաստիճանի հետագա բարձրացումը հանգեցնում է կատարողականի նվազող սահմանային բարելավումների։

Բ. Նյութերի տարբերությունների ազդեցությունը ջերմաստիճանի վրա

• Հեշտ գրաֆիտացվող ածխածիններ (օրինակ՝ նավթային կոքս). Գրաֆիտացման փուլ են մտնում 1700℃-ում, որտեղ գրաֆիտացման աստիճանը զգալիորեն աճում է 2500℃-ում։
• Դժվար գրաֆիտացվող ածխածիններ (օրինակ՝ անտրացիտ). Նմանատիպ փոխակերպման հասնելու համար անհրաժեշտ են ավելի բարձր ջերմաստիճաններ (մոտ 3000℃):

II. Բարձր ջերմաստիճանների կողմից ածխածնի ատոմների դասավորվածության խթանման մեխանիզմ

Ա. Փուլ 1 (1000–1800℃). Ցնդող արտանետումներ և երկչափ դասավորություն

• Ալիֆատիկ շղթաները՝ CH և C=O կապերը քայքայվում են՝ անջատելով ջրածին, թթվածին, ազոտ, ծծումբ և այլ տարրեր՝ մոնոմերների կամ պարզ մոլեկուլների տեսքով (օրինակ՝ CH₄, CO₂):
• Ածխածնի ատոմի շերտերը ընդարձակվում են երկչափ հարթության մեջ, միկրոբյուրեղային բարձրությունը 1 նմ-ից աճում է մինչև 10 նմ, մինչդեռ շերտերի միջև դասավորությունը մեծապես մնում է անփոփոխ։
• Միաժամանակ տեղի են ունենում և՛ էնդոթերմիկ (քիմիական ռեակցիաներ), և՛ էկզոթերմիկ (ֆիզիկական պրոցեսներ, ինչպիսիք են միկրոբյուրեղային սահմանի անհետացման հետևանքով միջմակերեսային էներգիայի արտանետումը) պրոցեսները։

Բ. Փուլ 2 (1800–2400℃). Եռաչափ դասավորություն և հատիկների սահմանի վերականգնում

• Ածխածնի ատոմների ջերմային տատանումների հաճախականության աճը դրանք մղում է եռաչափ դասավորությունների, որոնք կարգավորվում են նվազագույն ազատ էներգիայի սկզբունքով։
• Բյուրեղային հարթությունների վրա տեղաշարժերը և հատիկների սահմանները աստիճանաբար անհետանում են, ինչի մասին վկայում են ռենտգենյան դիֆրակցիոն սպեկտրներում սուր (hko) և (001) գծերի ի հայտ գալը, որոնք հաստատում են եռաչափ կարգավորված դասավորությունների ձևավորումը։
• Որոշ խառնուրդներ առաջացնում են կարբիդներ (օրինակ՝ սիլիցիումի կարբիդ), որոնք ավելի բարձր ջերմաստիճաններում քայքայվում են մետաղական գոլորշիների և գրաֆիտի։

Գ. Փուլ 3 (2400℃-ից բարձր). Հատիկի աճ և վերաբյուրեղացում

• Հատիկների չափերը a առանցքի երկայնքով աճում են միջինում մինչև 10–150 նմ, իսկ c առանցքի երկայնքով՝ մինչև մոտավորապես 60 շերտ (մոտ 20 նմ)։
• Ածխածնի ատոմները ենթարկվում են ցանցային մաքրման ներքին կամ միջմոլեկուլային միգրացիայի միջոցով, մինչդեռ ածխածնային նյութերի գոլորշիացման արագությունը էքսպոնենցիալ կերպով աճում է ջերմաստիճանի հետ։
• Ակտիվ նյութերի փոխանակում տեղի է ունենում պինդ և գազային փուլերի միջև, որի արդյունքում ձևավորվում է բարձր կարգավորված գրաֆիտային բյուրեղային կառուցվածք։

III. Ջերմաստիճանի օպտիմալացում հատուկ գործընթացների միջոցով

Ա. Կատալիտիկ գրաֆիտացում

Երկաթի կամ ֆերոսիլիցիումի նման կատալիզատորների ավելացումը կարող է զգալիորեն նվազեցնել գրաֆիտացման ջերմաստիճանները մինչև 1500–2200℃ միջակայք։ Օրինակ՝

• Ֆերոսիլիցիումային կատալիզատորը (25% սիլիցիումի պարունակությամբ) կարող է ջերմաստիճանը 2500–3000℃-ից իջեցնել մինչև 1500℃։
• BN կատալիզատորը կարող է իջեցնել ջերմաստիճանը մինչև 2200℃-ից ցածր՝ միաժամանակ բարելավելով ածխածնային մանրաթելերի կողմնորոշումը։

Բ. Գերբարձր ջերմաստիճանի գրաֆիտացում

Բարձր մաքրության կիրառություններում, ինչպիսիք են միջուկային և ավիատիեզերական գրաֆիտը, օգտագործվում է միջին հաճախականության ինդուկցիոն տաքացում կամ պլազմային աղեղային տաքացում (օրինակ՝ արգոնի պլազմայի միջուկի ջերմաստիճանը հասնում է 15,000℃-ի)՝ արտադրանքի վրա 3200℃-ից բարձր մակերևութային ջերմաստիճան ապահովելու համար։

• Գրաֆիտացման աստիճանը գերազանցում է 0.99-ը՝ չափազանց ցածր խառնուրդների պարունակությամբ (մոխրի պարունակությունը < 0.01%)։

IV. Ջերմաստիճանի ազդեցությունը գրաֆիտացման էֆեկտների վրա

Ա. Դիմադրություն և ջերմահաղորդականություն

Գրաֆիտացման աստիճանի յուրաքանչյուր 0.1 աճի դեպքում դիմադրողականությունը նվազում է 30%-ով, իսկ ջերմահաղորդականությունը՝ 25%-ով։ Օրինակ՝ 3000℃ ջերմաստիճանում մշակումից հետո գրաֆիտի դիմադրությունը կարող է նվազել մինչև սկզբնական արժեքի 1/4–1/5-ը։

Բ. Մեխանիկական հատկություններ

Բարձր ջերմաստիճանները գրաֆիտի շերտերի միջև հեռավորությունը կրճատում են մինչև գրեթե իդեալական արժեքներ (0.3354 նմ), զգալիորեն բարձրացնելով ջերմային ցնցումների դիմադրությունը և քիմիական կայունությունը (գծային ընդարձակման գործակցի 50%-80% նվազմամբ), միաժամանակ հաղորդելով քսայուղայինություն և մաշվածության դիմադրություն։

Գ. Մաքրության բարձրացում

3000℃ ջերմաստիճանում բնական միացությունների 99.9%-ում առկա քիմիական կապերը քայքայվում են, ինչը թույլ է տալիս խառնուրդներին արտանետվել գազային տեսքով և արդյունքում արտադրանքի մաքրությունը կազմում է 99.9% կամ ավելի։