Технология изготовления изделий из углеродных и графитовых материалов

Углеродные материалы. Для изготовления углеродных материалов используют измельченный в порошок каменный уголь, антрацит, кокс и др. При получении таких материалов традиционным способом проводят формование исходных порошков в пористые заготовки и последующую высокотемпе-ратурную тепловую обработку (обжиг).

Предварительная обработка исходных каменных углей и других материалов заключается в дроблении и прокаливании при температуре 1200…1350 ⁰С без доступа воздуха для удаления влаги и летучих веществ, снижения содержания золы. После этого проводят дальнейшее измельчение в порошок и рассев на фракции по размеру частиц.

Затем полученные порошки смешивают в смесительных машинах со связующим веществом в количестве до 25 мас. %, в качестве которого применяют каменноугольные смолы или пеки. В результате имеют однородную пластичную массу из частиц порошка углеродного материала с прослойками связующего.

Подготовленную массу формуют в пористые заготовки заданной формы и размеров. Применяют традиционные для сыпучих порошковых материалов способы формования: холодное прессование в прессформах, горячее прессование, изостатическое прессование, экструзия и др. Заготовки подвергают обжигу при температуре 1000…1300 ⁰С в течение 20…40 суток в инертной среде или в засыпке из мелкодисперсных углеродистых материалов. Полученные углеродистые материалы имеют пористость 25…35 % или 20… 30 % соответственно в случае применения холодного или горячего прессо-вания.

По существующей гипотетической модели структура углеродных материалов состоит из пачек параллельно расположенных слоев, состоящих из атомов углерода. Между пачками находится определенное количество углерода, неупорядоченного в слои (рис. 42). Отдельный углеродный слой представляет собой совокупность шестиугольных циклов из атомов углерода,

связанных между собой двойными ковалентными

связями. Углеродные параллельные слои соеди-

няются в пачки действующими между ними

слабыми межмолекулярными силами Ван – дер –

– Ваальса. Упорядоченности во взаимном рас-

положении шестиугольных циклов из атомов

Рис. 42. Гипотетическая пачечнаяуглерода у соседних углеродных параллельных

структура углеродного материаласлоев в пачке не имеется.

В зависимости от природы углеродных материалов угол разориентировки слоев между соседними пачками может быть малым (коксы из коксующихся углей, нефтяные коксы) или большим (древесный уголь, сахарный уголь).

Графитовые материалы. Графит получают искусственным путем посредством применения дополнительной тепловой обработки изделий из углеродных материалов с малым углом разориентировки между соседними пачками. Такая особая тепловая обработка называетсяграфитацией. Графитовые материалы могут быть получены и способом формования, и обжига порошков природного графита или отходов его производства.

Рассмотрим технологию изготовления графитовых изделий из углеродных материалов, т.е. графитацию. Полученные углеродные изделия подвергаются нагреву до высоких температур 2700…3000 ⁰С в течение многих суток в атмосфере аргона или другой среды с засыпкой металлургическим коксом.

Преобразование пачечной структуры углеродного материала в структуру из параллельных слоев с упорядоченным расположением шестиугольных циклов из атомов углерода в слоях графитового материала происходит через ряд этапов.

На первом этапес повышением температуры до2000⁰С формируется материал стурбостратной структурой. Она представляет собой параллельные слои из шестиугольных циклов атомов углерода во всем объеме физического тела. Какая – либо упорядоченность в относительном взаимном расположении циклов из атомов углерода в соседних параллельных слоях отсутствует.

Таким образом, на данном этапе увеличивается размер исходных пачек углеродного материала как параллельно, так и перпендикулярно слоевым плоскостям. Улучшается взаимная ориентация углеродных слоев и уменьшается расстояние между соседними параллельными слоями.

Эти процессы структурных изменений рассматривают как совершен-ствование структуры углеродного материала, улучшение упорядоченности последовательной упаковки параллельных углеродных слоев.

На втором этапепри нагреве в интервале температур2000…2600⁰С значительно уменьшается расстояниеhмежду соседними параллельными слоями из шестиугольных циклов атомов углерода. Относительное сближение этих слоев оценивают показателемстепени графитации:

 = (0,344 – h) / (0,344 – 0,336),

где h– расстояние между соседними параллельными углеродными слоями, нм; 0,344 нм – межслоевое расстояние в углероде турбостратного строения; 0,366 нм – межслоевое расстояние в бездефектном трехмерном монокристалле графита.

В процессе второго этапа развивается относительное упорядочивание шестиугольных циклов из атомов углерода в параллельных слоях. К концу этого этапа у каждого последующего четвертого параллельного слоя шестиугольные циклы точно повторяют их расположение в первом слое. В двух промежуточных слоях №№ 2 и 3 шестиугольные циклы сдвинуты относительно первого слоя на 1/3 и 2/3 диагонали. Следовательно, обозначая углеродные параллельные слои из циклов буквами А (№ 1),В (№ 2),С (№ 3), имеем следующее последовательное расположение слоев:

…/АВС/АВС/АВС/АВС/…

Материал с таким расположением (чередованием) углеродных слоев получил название «ромбоэдрический графит» (рис. 43).

На третьем этапе при повышении температуры

нагрева до 3000⁰С расстояние между углерод-

ными параллельными слоями в графитовом ма-

териале не изменяется. Изменения заключаются

в том, что происходит упорядочивание в распо-

ложении циклов углеродных параллельных слоев

Точное повторение расположения циклов проис-

ходит в конце третьего этапа через один проме-

Рис. 43. Чередование слоев жуточный слой, в котором циклысмещены на 1/2

в ромбоэдрическом графите диагонали. Следовательно, обозначая слои из

циклов буквами А (№ 1), Д (№ 2), получаем следующее чередование слоев:

…/АД/АД/АД/АД/…

Материал с данным чередованием параллельных углеродных слоев называется «гексагональный графит» (рис. 44). Это наиболее совершенная по своему строению разновидность графитовых материалов.

Рис. 44. Чередование слоев в гексагональном графите

Для активизации процесса графитации использу- ется приложение механического давления при тепловой обработке углеродных веществ (метод термомеханической обработки) и введение в уг- леродные материалы некоторых веществ в виде порошков металлов Fe,Ni,Co и неметаллов (ме- графитации). Втод каталитической последнем случае вследствие образования жидких эвтектик типа Ме – МеС и МеС – Сполучающиеся рас- плавы перенасыщены углеродом по отношению к совершенному графиту и из них кристалл- лизуются твердые углеродные фрагменты.