影響炭材料石墨化程度的外部因素主要有哪些

影響炭材料石墨化程度的外部因素主要有哪些溫度與石墨化過程

石油焦、瀝青焦等易石墨化炭其微晶結構的基本單元是以碳原子為主體的多層疊合芳香烴縮合環(huán)片狀體，但是片狀體的尺寸較小，層面間距較大。要使石油焦、瀝青焦的微晶結構形成石墨晶體結構，芳香烴縮合環(huán)片狀體的尺寸和層面間距必須達到接近天然石墨的晶格尺寸，才能顯示出石墨的物理化學性質(zhì)（主要看材料的真密度與電阻率、硬度和潤滑）。一定要有足夠的能量才能使芳香烴縮合環(huán)片狀體的尺寸增加和層面間距縮小，這個能量由高溫來提供。在石墨化過程的第一階段（溫度在1000~1800℃之間），所產(chǎn)生的變化可以看作是炭化作用的深化，微晶周圍的弱極性鍵被切斷，如CC單鍵和C-H、C=O等異性原子間的鍵，由此引起氣化逸散和伴隨碳原子在層面上的融并而來的微晶尺寸（微晶片狀體的寬度）的增大。一般情況下，石油焦需要加熱到1700℃以上片狀體尺寸才有較明顯的增長，而瀝青焦的石墨化需要更高的起點溫度。難石墨化炭（硬炭）甚至經(jīng)過3000℃的高溫熱處理，它的L值仍然不超過7nm，平行疊合層數(shù)N還在12以下。另一方面軟炭只經(jīng)過1720℃的熱處理，它的L值已經(jīng)達到7nm，平行疊合層數(shù)已超過30。以普通級別的石油焦為原料生產(chǎn)普通功率石墨電極的石墨化溫度應達到2500℃左右，大規(guī)格成品石墨電極的電阻率可降低到7~9u·m，真密度達到2.21g/cm3以上。以針狀焦為原料生產(chǎn)超高功率石墨電極的石墨化溫度應達到2800~3000℃，大規(guī)格超高功率石墨電極的電阻率可降低到5~6μ·m。真密度達到2.23g/cm3以上。

影響炭材料石墨化程度的外部因素主要是溫度，但在高溫下停留時間的長短也起一定作用，石墨化溫度越高、進入石墨化穩(wěn)定狀態(tài)（層面間距不再有大的變化）的時間越短。而在較低的溫度下石墨化，則需要很長時間才能達到類似的穩(wěn)定狀態(tài)。一些學者研究了石墨化過程的進行速度與溫度的關系，提出如下計算公式: K=10e-A/RTS-1

式中K石墨化過程的速度常數(shù)；

A活化能常數(shù)（石油焦為37.62kJ/mol），單位為kJ/mol；R摩爾氣體常數(shù)，單位為8.31J/（mol·K）；

T絕對溫度，單位為K。

在石墨化高溫下逗留時間的長短與石墨化程度（G）及速度常數(shù)K的關系可用下式表示

G=1-e-

式中t時間，單位為s。

某種石油焦需要達到石墨化程度為0.97時，在不同溫度下理論上所需的時間見表13-1。為某種石油焦達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間一溫度曲線。