Графиттеу өңдеуі әдетте 2300-ден 3000℃-қа дейінгі жоғары температураны қажет етеді, оның негізгі қағидасы көміртек атомдарын жоғары температуралы термиялық өңдеу арқылы ретсіз орналасудан реттелген графит кристалды құрылымына айналдыру болып табылады. Төменде егжей-тегжейлі талдау келтірілген:
I. Дәстүрлі графиттеу өңдеуіне арналған температура диапазоны
A. Негізгі температура талаптары
Дәстүрлі графитизация температураны 2300-ден 3000°C-қа дейін көтеруді қажет етеді, мұндағы:
- 2500℃ көміртек атомдарының қабатаралық арақашықтығы айтарлықтай азаятын және графиттену дәрежесі тез артатын шешуші бетбұрыс нүктесін белгілейді;
- 3000°C-тан жоғары температурада өзгерістер біртіндеп өзгереді және графит кристалы жетілдіруге жақындайды, дегенмен температураның одан әрі жоғарылауы өнімділіктің шекті жақсаруын азайтады.
B. Материалдық айырмашылықтардың температураға әсері
- Графиттелуі оңай көміртектер (мысалы, мұнай коксы): 1700℃ температурада графиттелу кезеңіне еніңіз, 2500℃ температурада графиттелу дәрежесі айтарлықтай артады;
- Графиттелуі қиын көміртектер (мысалы, антрацит): Ұқсас түрлендіруге қол жеткізу үшін жоғары температура (3000℃-қа жуық) қажет.
II. Жоғары температураның көміртек атомының реттілігін арттыратын механизмі
A. 1-кезең (1000–1800℃): Ұшқыш шығарындылар және екі өлшемді ретке келтіру
- Алифаттық тізбектер, CH3 және C=O байланыстары ыдырап, сутегі, оттегі, азот, күкірт және басқа элементтерді мономерлер немесе қарапайым молекулалар (мысалы, CH3₄, CO3₂) түрінде бөліп шығарады;
- Көміртек атомының қабаттары екі өлшемді жазықтықта кеңейеді, микрокристалды биіктігі 1 нм-ден 10 нм-ге дейін артады, ал қабаттар аралық қабаттасу айтарлықтай өзгеріссіз қалады;
- Эндотермиялық (химиялық реакциялар) және экзотермиялық (микрокристалды шекараның жоғалуынан бетаралық энергияның бөлінуі сияқты физикалық процестер) процестер бір мезгілде жүреді.
B. 2-кезең (1800–2400℃): үш өлшемді реттеу және дән шекарасын жөндеу
- Көміртек атомдарының жылулық тербеліс жиілігінің артуы оларды минималды бос энергия принципімен басқарылатын үш өлшемді құрылымға ауысуға итермелейді;
- Кристалл жазықтықтарындағы дислокациялар мен түйіршік шекаралары біртіндеп жоғалады, бұл рентгендік дифракция спектрлерінде үш өлшемді реттелген орналасулардың пайда болуын растайтын өткір (hko) және (001) сызықтардың пайда болуымен дәлелденеді;
- Кейбір қоспалар карбидтерді (мысалы, кремний карбиді) түзеді, олар жоғары температурада металл булары мен графитке ыдырайды.
C. 3-кезең (2400℃ жоғары): Дәннің өсуі және қайта кристалдануы
- Түйіршіктердің өлшемдері а осі бойымен орта есеппен 10–150 нм-ге дейін және с осі бойымен шамамен 60 қабатқа (шамамен 20 нм) дейін артады;
- Көміртек атомдары ішкі немесе молекулааралық миграция арқылы торды жетілдіруге ұшырайды, ал көміртекті заттардың булану жылдамдығы температурамен экспоненциалды түрде артады;
- Қатты және газ фазалары арасында белсенді зат алмасу жүреді, нәтижесінде жоғары реттелген графит кристалды құрылымы пайда болады.
III. Арнайы процестер арқылы температураны оңтайландыру
A. Каталитикалық графиттеу
Темір немесе ферросилиций сияқты катализаторларды қосу графиттеу температурасын 1500–2200°C дейін айтарлықтай төмендетуі мүмкін. Мысалы:
- Ферросилиций катализаторы (25% кремний мөлшері) температураны 2500–3000℃-тан 1500℃-қа дейін төмендете алады;
- BN катализаторы көміртекті талшықтардың бағытын жақсарта отырып, температураны 2200°C-тан төмен түсіре алады.
B. Өте жоғары температуралы графиттеу
Ядролық және аэроғарыштық графит сияқты жоғары тазалықтағы қолданбаларда қолданылатын бұл процесс өнімдердің беткі температурасын 3200℃-тан асатындай ету үшін орташа жиілікті индукциялық қыздыруды немесе плазмалық доғалық қыздыруды (мысалы, аргон плазмасының өзек температурасы 15000℃-қа дейін) қолданады;
- Графиттену дәрежесі 0,99-дан асады, қоспа мөлшері өте төмен (күл мөлшері < 0,01%).
IV. Графиттену әсеріне температураның әсері
A. Кедергі және жылу өткізгіштік
Графиттену дәрежесінің әрбір 0,1 жоғарылауымен меншікті кедергі 30%-ға төмендейді, ал жылу өткізгіштік 25%-ға артады. Мысалы, 3000°C температурада өңдегеннен кейін графиттің меншікті кедергісі бастапқы мәнінің 1/4–1/5 бөлігіне дейін төмендеуі мүмкін.
B. Механикалық қасиеттер
Жоғары температура графиттің қабаттар аралық аралығын идеалға жақын мәндерге дейін (0,3354 нм) төмендетеді, термиялық соққыға төзімділікті және химиялық тұрақтылықты (сызықтық кеңею коэффициентінің 50%-80% төмендеуімен) айтарлықтай арттырады, сонымен қатар майлау және тозуға төзімділік береді.
C. Тазалықты арттыру
3000°C температурада табиғи қосылыстардың 99,9%-ындағы химиялық байланыстар ыдырайды, бұл қоспалардың газ тәрізді күйде бөлінуіне мүмкіндік береді және өнімнің тазалығы 99,9% немесе одан жоғары болады.
Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 11 қыркүйек