Процесс производства изостатического графита: пошаговое руководство

Введение в изостатический графит

Изостатический графит, также известный как изомольдованный графит, представляет собой вершину технологий производства синтетического графита. Особенности этого материала включают его исключительную изотропность, высокую чистоту, отличную теплопроводность и электропроводность, а также высокую механическую прочность при высоких температурах. Изостатический графит неизбежно используется во многих высокотехнологичных отраслях – от производства полупроводников и солнечных панелей до металлургии, электрошлифовки (ЭДМ – Electrical Discharge Machining) и аэрокосмической промышленности. Уникальные свойства изостатического графита обусловлены специализированным процессом его производства, при котором с использованием высокого давления со всех сторон формируется заготовка с однородной, мелкозернистой структурой. Данный раздел предоставляет подробный, пошаговый обзор этого сложного производственного процесса.

Шаг 1: Выбор и подготовка сырья

Основа качественного изостатического графита закладывается при выборе сырья. Основным компонентом является высокопрочный углеродистый наполнитель, наиболее часто используемый в виде калцинированного нефтяного кокса (CPC) или кокса на основе дёгтя. Этот наполнитель обеспечивает базовую углеродную структуру материала. Вторым важным компонентом является связующее вещество, обычно каменноугольный дёготь или нефтяной дёготь, которое выполняет роль клея, обеспечивающего сцепление углеродных частиц на начальном этапе формирования графита.

Процесс начинается с тщательного измельчения твердого кока в мелкий, однородный порошок. Распределение размеров частиц этого порошка имеет решающее значение, поскольку оно напрямую влияет на плотность, прочность и окончательную микроструктуру готового продукта. Для достижения желаемого уровня ультратонкости и стабильности размеров частиц необходимо использовать передовые технологии измельчения.

Для этого начального этапа дробления мы используем нашу…Мельница с молотком (размер частиц от 0 до 3 мм)Это идеальное решение. Благодаря высокой производительности и возможности получения контролируемого продукта толщиной от 0 до 3 мм оно идеально подходит для предварительного уменьшения размеров сырого нефтяного кока, обеспечивая стабильную подачу материала для последующих процессов тонкого измельчения.

Шаг 2: смешивание и гомогенизация

Тонко молотый коксовый порошок затем смешивается с жидким связующим веществом – дегтем – в нагретом смесителе. Температура подkontролируется с особым вниманием, чтобы деготт расплавился и равномерно покрыл каждую коксовую частицу. Этот процесс, называемый «заворачиванием компонентов», должен быть тщательным, чтобы обеспечить получение абсолютно однородной смеси без засушливых участков. Полученный материал представляет собой гибкую пасту, богатую углеродом. Соотношение наполнителя к связующему веществу является строго секретом каждого производителя и каждого сорта графита; оно существенно влияет на характеристики готового продукта.

Шаг 3: Изостатическое прессование (определяющий этап)

Этот этап является ключевым и обуславливает получение изостатического графита с его характеристиками изотропии. Подготовленная смесь загружается в гибкую резиновую или полиуретановую форму, которая затем закрывается и помещается в высоконапорный контейнер. Контейнер заполняется гидравлической средой (обычно маслом или водой) и подвергается повышению давления до крайне высоких уровней – обычно от 100 до 200 МПа (14 500–29 000 фунтов на квадратный дюйм).

Ключевой принцип…изостатическийПрессование при изостатическом давлении осуществляется равномерно со всех сторон. В отличие от униаксионального прессования, при котором материал сжимается сверху и снизу, что может привести к появлению градиентов плотности и выравниванию частиц, изостатическое прессование обеспечивает равномерное сжатие углеродных частиц во всех плоскостях. В результате получается заготовка с идеально однородным распределением плотности и отсутствием предпочтительного ориентирования частиц, что является основой изотропии материала.

Шаг 4: Выпекание (карбонизация)

Прессованные «зеленые» заготовки теперь обладают механической устойчивостью, но соединены между собой с помощью термопластичного связующего вещества. Процесс выпекания превращает это физическое соединение в постоянное химическое связующее звено на основе углерода. Заготовки упаковываются в слой песка или кофейного порошка для защиты от воздуха, затем медленно нагреваются в газовой или электрической печи при температуре от 800°C до 1200°C в течение нескольких недель.

Во время этой продолжительной термообработки связующий компонент (смола) подвергается пиролизу – более легкие элементы, такие как водород, кислород и азот, испаряются, оставляя после себя твердый углеродный остаток, который образует прочную, пористую углеродную матрицу, соединяющую частицы кокса. Полученный продукт называется «карбонизированным» или «пропеченным» графитом. Он сохраняет свою основную форму и прочность, но по-прежнему обладает большой пористостью и не имеет окончательных механических и термических свойств.

Шаг 5: Пропитка (необязательна, но часто используется)

Для устранения пористости, возникающей в процессе выпекания (когда улетучивающиеся вещества выходят наружу), заготовки часто подвергаются процедуре пропитки. Их помещают в автоклав под давлением, затем создается вакуум для удаления воздуха из пор. В автоклав впрыскивается вторичный смолистый состав. При высоком давлении жидкая смола проникает в открытые поры заготовки. После этого заготовку снова выпекают, чтобы прокарбонизовать эту новую смолу; в результате в поры накапливается дополнительный углерод, что увеличивает общую плотность, прочность и водонепроницаемость материала. Данный цикл пропитки и повторной выпечки может повторяться несколько раз для достижения желаемой плотности ультраэффективных материалов.

Шаг 6: Графитизация

Это крайне важный этап обработки при высоких температурах, который определяет конечные свойства получаемого материала. После сушки угольные биллеты загружаются в печь типа Ачесона или индукционную печь и нагреваются до экстремальных температур в пределах от 2500°C до 3000°C в инертной атмосфере. При таких высоких температурах аморфные атомы углерода внутри структуры переорганизуются в упорядоченную кристаллическую структуру графита — слоистую структуру, состоящую из шестиугольных углеродных решеток.

Эта термическая обработка значительно улучшает свойства материала: электрическая и теплопроводность повышаются, теплостабильность улучшается, химическая устойчивость становится выше, а сам материал легче обрабатываться. Кроме того, в процессе термообработки испаряются все оставшиеся примеси, в результате чего получается продукт исключительной чистоты – содержание углерода в нем часто превышает 99,99%.

Шаг 7: Точная обработка и контроль качества

Последний этап включает в себя точную обработку графитизированных заготовок с целью придания им окончательной формы и размеров, соответствующих требованиям заказчика. В связи с хрупкостью графита для его обработки необходимо использовать специальные инструменты и технологии, часто применяя станки с программным управлением (ЧПУ) для обеспечения высокой точности. Каждая заготовка подвергается строгим проверкам качества. К ключевым параметрам, измеряемым в ходе контроля качества, относятся:

• Удельная плотность:Основной показатель качества и эффективности.
• Предел прочности на изгиб и сжатие:Для обеспечения механической целостности.
• Электрическое сопротивление:Измерения проводились в разных направлениях для подтверждения изотропии.
• Коэффициент теплового расширения (КТР):Крайне важно для применений при высоких температурах.
• Размер частиц и микроструктура:Анализировалось с использованием микроскопии.
• Содержание золы (чистота):Подтверждено химическим анализом.

Роль передовых технологий мельчения в обеспечении качества

Как было подчеркнуто на этапе 1, первоначальный размер частиц сырого кокса играет ключевую роль. Более мелкие и однородные частицы обеспечивают более плотное упаковывание материала в процессе прессования. Это прямо приводит к более высокой плотности сырого продукта, а после обжига и графитизации – к еще более высокой конечной плотности. Большая плотность тесно связана с улучшением механической прочности, теплопроводности и структурной однородности продукта.

Для достижения ультратонкого и строго контролируемого распределения частиц, необходимого для производства изостатического графита высшего класса, производители используют высокопроизводительные мельницы для измельчения. Наша…Мельница SCM для получения ультратонкого порошка (размер частиц 45–5 мкм)Устройство специально разработано для выполнения данного сложного задания. Его способность обеспечивать постоянную однородность размера частиц в диапазоне от 325 до 2500 ячеек (D97 ≤ 5 мкм) при использовании сырья размером не более 20 мм не имеет аналогов. Интегрированный вертикальный турбинный сепаратор гарантирует точное разделение частиц без загрязнения крупным порошком, что обеспечивает необходимую стабильность состава порошка для формирования высококачественной изотропной структуры. Кроме того, благодаря своей высокой эффективности и энергосберегающему дизайну (энергопотребление на 30% меньше, чем у щеточных мельниц) это устройство не только помогает достигать высочайшего качества продукции, но и способствует повышению устойчивости производства.

Вывод

Производство изостатического графита представляет собой сложный многостадийный процесс, объединяющий в себе принципы материаловедения, точного инжиниринга и тщательного контроля хода производства. Начиная с тщательного отбора и подготовки сырья и заканчивая изостатическим прессованием и графитизацией при сверхвысоких температурах, каждый шаг играет ключевую роль в формировании уникальных свойств этого материала, делающих его важным инструментом современных технологий. Неустанное стремление к получению более качественных сырьевых порошков, возможное благодаря передовым технологиям измельчения (например, мельнице SCM Ultrafine Mill), способствует расширению возможностей этого материала, позволяя разрабатывать его еще более совершенные версии, которые будут соответствовать меняющимся требованиям будущего.