ग्राफायटीकरण प्रक्रियेसाठी सामान्यतः २३०० ते ३०००℃ पर्यंतच्या उच्च तापमानाची आवश्यकता असते, आणि उच्च-तापमान उष्णता प्रक्रियेद्वारे कार्बन अणूंचे अव्यवस्थित रचनेतून सुव्यवस्थित ग्रॅफाइट स्फटिक संरचनेत रूपांतर करणे हे त्याचे मुख्य तत्त्व आहे. खाली त्याचे सविस्तर विश्लेषण दिले आहे:
१. पारंपरिक ग्रॅफायटीकरण उपचारासाठी तापमान श्रेणी
अ. मूलभूत तापमान आवश्यकता
पारंपारिक ग्राफायटीकरणासाठी तापमान २३०० ते ३०००℃ च्या श्रेणीपर्यंत वाढवणे आवश्यक असते, जेथे:
- 2500℃ हा एक महत्त्वाचा टप्पा आहे, ज्या तापमानावर कार्बन अणूंचे आंतर-थर अंतर लक्षणीयरीत्या कमी होते आणि ग्राफायटीकरणाची पातळी वेगाने वाढते;
- ३०००℃ च्या पुढे, बदल अधिक हळूहळू होतात आणि ग्रॅफाइट स्फटिक परिपूर्णतेच्या जवळ पोहोचतो, तथापि तापमान आणखी वाढवल्यास कार्यक्षमतेत नगण्य सुधारणा दिसून येतात.
ब. पदार्थांमधील फरकांचा तापमानावर होणारा परिणाम
- सहजपणे ग्रॅफायटीकरण होणारे कार्बन (उदा., पेट्रोलियम कोक): १७००℃ तापमानावर ग्रॅफायटीकरण अवस्थेत प्रवेश करतात, आणि २५००℃ तापमानावर ग्रॅफायटीकरणाच्या प्रमाणात लक्षणीय वाढ होते;
- ज्या कार्बनचे ग्रॅफायटीकरण करणे कठीण असते (उदा., अँथ्रासाइट): असेच परिवर्तन घडवून आणण्यासाठी उच्च तापमानाची (सुमारे ३०००℃) आवश्यकता असते.
II. उच्च तापमानाद्वारे कार्बन अणूंच्या सुव्यवस्थेला चालना देणारी यंत्रणा
अ. टप्पा १ (१०००–१८००℃): बाष्पशील उत्सर्जन आणि द्विमितीय सुव्यवस्था
- अॅलिफॅटिक शृंखला, CH, आणि C=O बंध तुटतात, ज्यामुळे हायड्रोजन, ऑक्सिजन, नायट्रोजन, सल्फर आणि इतर मूलद्रव्ये मोनोमर किंवा साध्या रेणूंच्या (उदा., CH₄, CO₂) स्वरूपात बाहेर पडतात;
- कार्बन अणूंचे थर द्विमितीय प्रतलामध्ये विस्तारतात, ज्यामुळे सूक्ष्मस्फटिकांची उंची 1 nm पासून 10 nm पर्यंत वाढते, तर आंतरथरीय रचना मोठ्या प्रमाणात अपरिवर्तित राहते;
- उष्णशोषक (रासायनिक अभिक्रिया) आणि उष्णोत्सर्जक (भौतिक प्रक्रिया, जसे की सूक्ष्मस्फटिकी सीमा नाहीशी झाल्यामुळे आंतरपृष्ठीय ऊर्जेचे उत्सर्जन) या दोन्ही प्रक्रिया एकाच वेळी घडतात.
ब. टप्पा २ (१८००–२४००℃): त्रिमितीय सुव्यवस्था आणि कण सीमा दुरुस्ती
- कार्बन अणूंच्या वाढलेल्या औष्णिक कंपनांच्या वारंवारतेमुळे ते किमान मुक्त ऊर्जेच्या तत्त्वानुसार नियंत्रित होणाऱ्या त्रिमितीय मांडणीत रूपांतरित होतात;
- क्रिस्टल प्लेनवरील डिसलोकेशन आणि ग्रेन बाउंड्री हळूहळू नाहीसे होतात, जे एक्स-रे डिफ्रेक्शन स्पेक्ट्रामध्ये तीक्ष्ण (hko) आणि (001) रेषांच्या उदयानंतर दिसून येते, ज्यामुळे त्रिमितीय सुव्यवस्थित मांडणीच्या निर्मितीची पुष्टी होते;
- काही अशुद्धी कार्बाइड (उदा., सिलिकॉन कार्बाइड) तयार करतात, जे उच्च तापमानात धातूंच्या वाफेत आणि ग्रॅफाइटमध्ये विघटित होतात.
सी. टप्पा ३ (२४००℃ च्या वर): कणांची वाढ आणि पुन:स्फटिकीकरण
- कणांचे आकारमान a-अक्षाच्या दिशेने सरासरी 10–150 nm पर्यंत आणि c-अक्षाच्या दिशेने अंदाजे 60 थरांपर्यंत (सुमारे 20 nm) वाढते;
- कार्बन अणूंचे आंतरिक किंवा आंतररेणवीय स्थलांतराद्वारे जालक शुद्धीकरण होते, तर कार्बनयुक्त पदार्थांच्या बाष्पीभवनाचा दर तापमानानुसार घातांकीय पद्धतीने वाढतो;
- घन आणि वायू अवस्थांमध्ये सक्रिय पदार्थांची देवाणघेवाण होते, परिणामी अत्यंत सुव्यवस्थित ग्रॅफाइट स्फटिक संरचनेची निर्मिती होते.
III. विशेष प्रक्रियांद्वारे तापमान अनुकूलन
अ. उत्प्रेरक ग्रॅफायटीकरण
लोह किंवा फेरोसिलिकॉनसारखे उत्प्रेरक वापरल्याने ग्राफायटीकरणाचे तापमान लक्षणीयरीत्या कमी होऊन १५००–२२००℃ च्या श्रेणीत येऊ शकते. उदाहरणार्थ:
- फेरोसिलिकॉन उत्प्रेरक (25% सिलिकॉन सामग्री) तापमान 2500–3000℃ वरून 1500℃ पर्यंत कमी करू शकतो;
- BN उत्प्रेरक कार्बन फायबरचे अभिमुखता वाढवताना तापमान 2200℃ च्या खाली आणू शकतो.
ब. अति-उच्च-तापमान ग्राफिटायझेशन
न्यूक्लियर-ग्रेड आणि एरोस्पेस-ग्रेड ग्रॅफाइटसारख्या उच्च-शुद्धतेच्या अनुप्रयोगांसाठी वापरल्या जाणाऱ्या या प्रक्रियेमध्ये, उत्पादनांवर 3200℃ पेक्षा जास्त पृष्ठभागाचे तापमान प्राप्त करण्यासाठी मध्यम-फ्रिक्वेन्सी इंडक्शन हीटिंग किंवा प्लाझ्मा आर्क हीटिंग (उदा., 15,000℃ पर्यंत पोहोचणारे आर्गॉन प्लाझ्मा कोअर तापमान) वापरले जाते;
- ग्राफायटीकरणाची पातळी ०.९९ पेक्षा जास्त असून, अशुद्धतेचे प्रमाण अत्यंत कमी आहे (राखेचे प्रमाण < ०.०१%).
४. ग्राफायटीकरण परिणामांवर तापमानाचा प्रभाव
अ. रोधकता आणि औष्णिक वाहकता
ग्राफायटीकरण अंशात प्रत्येक ०.१ वाढीसाठी, रोधकता ३०% ने कमी होते आणि औष्णिक वाहकता २५% ने वाढते. उदाहरणार्थ, ३०००℃ तापमानावर प्रक्रिया केल्यानंतर, ग्रॅफाइटची रोधकता तिच्या मूळ मूल्याच्या १/४ ते १/५ पर्यंत कमी होऊ शकते.
ब. यांत्रिक गुणधर्म
उच्च तापमानामुळे ग्रॅफाइटमधील आंतर-थर अंतर जवळजवळ आदर्श मूल्यांपर्यंत (0.3354 nm) कमी होते, ज्यामुळे औष्णिक धक्क्याला प्रतिकारशक्ती आणि रासायनिक स्थिरता (रेखीय विस्तार गुणांकात 50%–80% घट होऊन) लक्षणीयरीत्या वाढते, तसेच त्याला स्नेहकता आणि झीज-प्रतिरोधकता देखील प्राप्त होते.
सी. शुद्धता वृद्धी
३०००℃ तापमानावर, ९९.९% नैसर्गिक संयुगांमधील रासायनिक बंध तुटतात, ज्यामुळे अशुद्धी वायू स्वरूपात बाहेर पडतात आणि परिणामी उत्पादनाची शुद्धता ९९.९% किंवा त्याहून अधिक होते.
पोस्ट करण्याची वेळ: ११ सप्टेंबर २०२५