Графитизација обично захтева високе температуре у распону од 2300 до 3000℃, а њен основни принцип је трансформација атома угљеника из неуређеног распореда у уређену кристалну структуру графита путем термичке обраде на високој температури. У наставку је детаљна анализа:
I. Температурни опсег за конвенционални третман графитизацијом
А. Основни температурни захтеви
Конвенционална графитизација захтева подизање температуре на опсег од 2300 до 3000℃, где:
- 2500℃ означава кључну прекретницу, на којој се међуслојни размак атома угљеника значајно смањује, а степен графитизације брзо расте;
- Изнад 3000℃, промене постају постепеније, а графитни кристал се приближава савршенству, иако даљи пораст температуре доводи до смањења маргиналних побољшања перформанси.
Б. Утицај разлика у материјалу на температуру
- Угљеници који се лако графитизују (нпр. нафтни кокс): Улазе у фазу графитизације на 1700℃, са значајним повећањем степена графитизације на 2500℃;
- Тешко графитизујући угљеници (нпр. антрацит): Потребне су више температуре (приближно 3000℃) да би се постигла слична трансформација.
II. Механизам којим високе температуре подстичу уређење атома угљеника
А. Фаза 1 (1000–1800℃): Емисија испарљивих материја и дводимензионално уређење
- Алифатични ланци, CH и C=O везе се разграђују, ослобађајући водоник, кисеоник, азот, сумпор и друге елементе у облику мономера или једноставних молекула (нпр. CH₄, CO₂);
- Слојеви атома угљеника се шире унутар дводимензионалне равни, са микрокристалном висином која се повећава од 1 nm до 10 nm, док међуслојно слагање остаје углавном непромењено;
- И ендотермни (хемијске реакције) и егзотермни (физички процеси, као што је ослобађање међуповршинске енергије из нестанка микрокристалне границе) процеси се одвијају истовремено.
Б. Фаза 2 (1800–2400℃): Тродимензионално уређење и поправка граница зрна
- Повећане фреквенције термичких вибрација атома угљеника доводе их до преласка у тродимензионалне распореде, којима управља принцип минималне слободне енергије;
- Дислокације и границе зрна на кристалним равнима постепено нестају, што је доказано појавом оштрих (hko) и (001) линија у рендгенским дифракционим спектрима, што потврђује формирање тродимензионалних уређених распореда;
- Неке нечистоће формирају карбиде (нпр. силицијум карбид), који се на вишим температурама разлажу на металне паре и графит.
C. Фаза 3 (изнад 2400℃): Раст зрна и рекристализација
- Димензије зрна се повећавају дуж a-осе до просека од 10–150 nm, а дуж c-осе до приближно 60 слојева (око 20 nm);
- Атоми угљеника подлежу пречишћавању решетке кроз унутрашњу или интермолекуларну миграцију, док брзина испаравања угљеничних супстанци експоненцијално расте са температуром;
- Активна размена материјала се одвија између чврсте и гасне фазе, што резултира формирањем високо уређене кристалне структуре графита.
III. Оптимизација температуре кроз посебне процесе
А. Каталитичка графитизација
Додавање катализатора као што су гвожђе или феросилицијум може значајно смањити температуре графитизације у опсегу од 1500–2200℃. На пример:
- Феросилицијумски катализатор (садржај силицијума 25%) може снизити температуру са 2500–3000 ℃ на 1500 ℃;
- БН катализатор може смањити температуру испод 2200 ℃, истовремено побољшавајући оријентацију угљеничних влакана.
Б. Графитизација на ултрависоким температурама
Користи се за примене високе чистоће као што је графит нуклеарног и ваздухопловног квалитета, овај процес користи индукционо загревање средње фреквенције или загревање плазма луком (нпр. температуре језгра аргонске плазме достижу 15.000 ℃) да би се постигле површинске температуре веће од 3200 ℃ на производима;
- Степен графитизације прелази 0,99, са изузетно ниским садржајем нечистоћа (садржај пепела < 0,01%).
IV. Утицај температуре на ефекте графитизације
A. Отпорност и топлотна проводљивост
За свако повећање степена графитизације од 0,1, отпорност се смањује за 30%, а топлотна проводљивост се повећава за 25%. На пример, након обраде на 3000℃, отпорност графита може пасти на 1/4–1/5 своје почетне вредности.
Б. Механичка својства
Високе температуре смањују међуслојни размак графита на скоро идеалне вредности (0,3354 nm), значајно побољшавајући отпорност на термичке ударе и хемијску стабилност (са смањењем коефицијента линеарног ширења од 50%–80%), а истовремено дају мазивост и отпорност на хабање.
C. Побољшање чистоће
На 3000℃, хемијске везе у 99,9% природних једињења се распадају, што омогућава ослобађање нечистоћа у гасовитом облику и резултира чистоћом производа од 99,9% или више.
Време објаве: 11. септембар 2025.