溫度與石墨化過程

石油焦、瀝青焦等易石墨化炭其微晶結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形成石墨晶體結(jié)構(gòu)，芳香烴縮合環(huán)片狀體的尺寸和層面間距必須達(dá)到接近天然石墨的晶格尺寸，才能顯示出石墨的物理化學(xué)性質(zhì)（主要看材料的真密度與電阻率、硬度和潤(rùn)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(gè)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(zhǎng)，而瀝青焦的石墨化需要更高的起點(diǎn)溫度。難石墨化炭（硬炭）甚至經(jīng)過3000℃的高溫?zé)崽幚恚腖值仍然不超過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(dá)到7nm，平行疊合層數(shù)已超過30。以普通級(jí)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(yīng)達(dá)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(dá)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(yīng)達(dá)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(dá)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(shí)間的長(zhǎng)短也起一定作用，石墨化溫度越高、進(jìn)入石墨化穩(wěn)定狀態(tài)（層面間距不再有大的變化）的時(shí)間越短。而在較低的溫度下石墨化，則需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到類似的穩(wěn)定狀態(tài)。一些學(xué)者研究了石墨化過程的進(jìn)行速度與溫度的關(guān)系，提出如下計(jì)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(duì)溫度，單位為K。

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

G=1-e-

式中t時(shí)間，單位為s。

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

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