რა ტემპერატურაა საჭირო გრაფიტიზირებული დამუშავებისთვის?

გრაფიტიზაციის დამუშავება, როგორც წესი, მოითხოვს მაღალ ტემპერატურას 2300-დან 3000℃-მდე დიაპაზონში, რომლის ძირითადი პრინციპია ნახშირბადის ატომების გარდაქმნა უწესრიგო განლაგებიდან მოწესრიგებულ გრაფიტის კრისტალურ სტრუქტურად მაღალტემპერატურულ თერმულ დამუშავებაში. ქვემოთ მოცემულია დეტალური ანალიზი:

I. ტემპერატურის დიაპაზონი ჩვეულებრივი გრაფიტიზაციის დამუშავებისთვის

ა. ტემპერატურის ძირითადი მოთხოვნები

ჩვეულებრივი გრაფიტიზაცია მოითხოვს ტემპერატურის 2300-დან 3000℃-მდე დიაპაზონამდე აწევას, სადაც:

• 2500℃ აღნიშნავს გარდამტეხ მომენტს, როდესაც ნახშირბადის ატომების შრეებს შორის მანძილი მნიშვნელოვნად მცირდება და გრაფიტიზაციის ხარისხი სწრაფად იზრდება;
• 3000℃-ს ზემოთ ცვლილებები უფრო თანდათანობითი ხდება და გრაფიტის კრისტალი სრულყოფილებას უახლოვდება, თუმცა ტემპერატურის შემდგომი მატება მუშაობის მინიმალურ გაუმჯობესებას იწვევს.

B. მატერიალური სხვაობების გავლენა ტემპერატურაზე

• ადვილად გრაფიტირებადი ნახშირბადები (მაგ., ნავთობკოქსი): გრაფიტიზების სტადიაში შედიან 1700℃-ზე, გრაფიტიზების ხარისხის შესამჩნევი ზრდით 2500℃-ზე;
• გრაფიტიზაციისთვის ძნელად დასამუშავებელი ნახშირბადები (მაგ., ანტრაციტი): მსგავსი ტრანსფორმაციის მისაღწევად საჭიროა უფრო მაღალი ტემპერატურა (მიახლოებით 3000℃).

II. მექანიზმი, რომლითაც მაღალი ტემპერატურა ხელს უწყობს ნახშირბადის ატომების მოწესრიგებას

ა. ფაზა 1 (1000–1800℃): აქროლადი გამონაბოლქვი და ორგანზომილებიანი დალაგება

• ალიფატური ჯაჭვები, CH და C=O ბმები იშლება, რის შედეგადაც გამოიყოფა წყალბადი, ჟანგბადი, აზოტი, გოგირდი და სხვა ელემენტები მონომერების ან მარტივი მოლეკულების სახით (მაგ., CH₄, CO₂);
• ნახშირბადის ატომის ფენები ფართოვდება ორგანზომილებიან სიბრტყეში, მიკროკრისტალური სიმაღლე იზრდება 1 ნმ-დან 10 ნმ-მდე, ხოლო შრეთაშორისი დაწყობა ძირითადად უცვლელი რჩება;
• ერთდროულად ხდება როგორც ენდოთერმული (ქიმიური რეაქციები), ასევე ეგზოთერმული (ფიზიკური პროცესები, როგორიცაა მიკროკრისტალური საზღვრის გაუჩინარების შედეგად ფაზათაშორისი ენერგიის გამოთავისუფლება) პროცესები.

B. ფაზა 2 (1800–2400℃): სამგანზომილებიანი დალაგება და მარცვლის საზღვრის აღდგენა

• ნახშირბადის ატომების გაზრდილი თერმული ვიბრაციის სიხშირეები მათ სამგანზომილებიან განლაგებებში გადასვლისკენ უბიძგებს, რაც მინიმალური თავისუფალი ენერგიის პრინციპით რეგულირდება;
• კრისტალურ სიბრტყეებზე დისლოკაციები და მარცვლების საზღვრები თანდათან ქრება, რასაც რენტგენის დიფრაქციულ სპექტრებში მკვეთრი (hko) და (001) ხაზების გაჩენა ადასტურებს, რაც სამგანზომილებიანი მოწესრიგებული განლაგების ფორმირებას ადასტურებს;
• ზოგიერთი მინარევები წარმოქმნის კარბიდებს (მაგ., სილიციუმის კარბიდს), რომლებიც მაღალ ტემპერატურაზე იშლება ლითონის ორთქლად და გრაფიტად.

გ. ფაზა 3 (2400℃-ზე მეტი): მარცვლის ზრდა და რეკრისტალიზაცია

• მარცვლის ზომები a ღერძის გასწვრივ საშუალოდ 10–150 ნმ-მდე იზრდება, ხოლო c ღერძის გასწვრივ დაახლოებით 60 ფენამდე (დაახლოებით 20 ნმ);
• ნახშირბადის ატომები განიცდიან ბადისებრ დახვეწას შიდა ან მოლეკულათშორისი მიგრაციის გზით, ხოლო ნახშირბადის ნივთიერებების აორთქლების სიჩქარე ექსპონენციალურად იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად;
• აქტიური ნივთიერებების გაცვლა ხდება მყარ და აირად ფაზებს შორის, რაც იწვევს მაღალმოწესრიგებული გრაფიტის კრისტალური სტრუქტურის ფორმირებას.

III. ტემპერატურის ოპტიმიზაცია სპეციალური პროცესების მეშვეობით

ა. კატალიზური გრაფიტიზაცია

ისეთი კატალიზატორების დამატება, როგორიცაა რკინა ან ფეროსილიციუმი, მნიშვნელოვნად ამცირებს გრაფიტიზაციის ტემპერატურას 1500–2200℃ დიაპაზონამდე. მაგალითად:

• ფეროსილიციუმის კატალიზატორი (25% სილიციუმის შემცველობა) ტემპერატურას 2500–3000℃-დან 1500℃-მდე ამცირებს;
• BN კატალიზატორს შეუძლია ტემპერატურის 2200℃-ზე დაბლა დაწევა და ამავდროულად ნახშირბადის ბოჭკოების ორიენტაციის გაძლიერება.

B. ულტრამაღალი ტემპერატურის გრაფიტიზაცია

გამოიყენება მაღალი სისუფთავის აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა ბირთვული და აერონავტიკული დანიშნულების გრაფიტი, ეს პროცესი იყენებს საშუალო სიხშირის ინდუქციურ გათბობას ან პლაზმურ რკალურ გათბობას (მაგ., არგონის პლაზმის ბირთვის ტემპერატურა 15,000℃-ს აღწევს) პროდუქტებზე 3200℃-ზე მეტი ზედაპირის ტემპერატურის მისაღწევად;

• გრაფიტიზაციის ხარისხი აღემატება 0.99-ს, მინარევების უკიდურესად დაბალი შემცველობით (ნაცრის შემცველობა < 0.01%).

IV. ტემპერატურის გავლენა გრაფიტიზაციის ეფექტებზე

ა. წინაღობა და თბოგამტარობა

გრაფიტიზაციის ხარისხის ყოველი 0.1-ით ზრდისას, წინაღობა მცირდება 30%-ით, ხოლო თბოგამტარობა იზრდება 25%-ით. მაგალითად, 3000℃-ზე დამუშავების შემდეგ, გრაფიტის წინაღობა შეიძლება დაეცეს მისი საწყისი მნიშვნელობის 1/4–1/5-მდე.

ბ. მექანიკური თვისებები

მაღალი ტემპერატურა გრაფიტის შრეებს შორის დაშორებას თითქმის იდეალურ მნიშვნელობებამდე (0.3354 ნმ) ამცირებს, რაც მნიშვნელოვნად ზრდის თერმული დარტყმისადმი მდგრადობას და ქიმიურ სტაბილურობას (წრფივი გაფართოების კოეფიციენტის 50%-80%-ით შემცირებით), ამასთანავე უზრუნველყოფს შეზეთვას და ცვეთამედეგობას.

გ. სისუფთავის გაუმჯობესება

3000℃ ტემპერატურაზე ბუნებრივი ნაერთების 99.9%-ში ქიმიური ბმები იშლება, რაც მინარევებს აირისებრი სახით გამოყოფს და პროდუქტის სისუფთავე 99.9%-ს ან მეტს შეადგენს.