El tractament de grafitització normalment requereix temperatures elevades que oscil·len entre els 2300 i els 3000 ℃, i el seu principi bàsic és la transformació dels àtoms de carboni d'una disposició desordenada a una estructura cristal·lina de grafit ordenada mitjançant un tractament tèrmic a alta temperatura. A continuació es mostra una anàlisi detallada:
I. Rang de temperatura per al tractament de grafitització convencional
A. Requisits bàsics de temperatura
La grafitització convencional requereix augmentar la temperatura fins al rang de 2300 a 3000 ℃, on:
- 2500 ℃ marca un punt d'inflexió crucial, en què l'espai entre capes d'àtoms de carboni disminueix significativament i el grau de grafitització augmenta ràpidament;
- Més enllà dels 3000 ℃, els canvis es tornen més graduals i el cristall de grafit s'acosta a la perfecció, tot i que els augments posteriors de temperatura produeixen millores marginals decreixents en el rendiment.
B. Impacte de les diferències de materials en la temperatura
- Carbonis fàcils de grafititzar (per exemple, coc de petroli): entrar a la fase de grafitització a 1700 ℃, amb un augment notable del grau de grafitització a 2500 ℃;
- Carbonis difícils de grafititzar (per exemple, antracita): requereixen temperatures més altes (properes als 3000 ℃) per aconseguir una transformació similar.
II. Mecanisme pel qual les altes temperatures promouen l'ordenació dels àtoms de carboni
A. Fase 1 (1000–1800℃): Emissió volàtil i ordenació bidimensional
- Les cadenes alifàtiques, els enllaços CH i C=O es trenquen, alliberant hidrogen, oxigen, nitrogen, sofre i altres elements en forma de monòmers o molècules simples (per exemple, CH₄, CO₂);
- Les capes d'àtoms de carboni s'expandeixen dins del pla bidimensional, amb una alçada microcristal·lina que augmenta d'1 nm a 10 nm, mentre que l'apilament entre capes roman pràcticament sense canvis;
- Tant els processos endotèrmics (reaccions químiques) com els exotèrmics (processos físics, com ara l'alliberament d'energia interfacial per la desaparició de la frontera microcristal·lina) es produeixen simultàniament.
B. Fase 2 (1800–2400℃): Ordenació tridimensional i reparació de límits de gra
- L'augment de les freqüències de vibració tèrmica dels àtoms de carboni els impulsa a la transició cap a arranjaments tridimensionals, governats pel principi d'energia lliure mínima;
- Les dislocacions i els límits de gra en els plans cristal·lins desapareixen gradualment, com ho demostra l'aparició de línies nítides (hko) i (001) en els espectres de difracció de raigs X, cosa que confirma la formació d'ordenacions tridimensionals;
- Algunes impureses formen carburs (per exemple, el carbur de silici), que es descomponen en vapors metàl·lics i grafit a temperatures més altes.
C. Fase 3 (per sobre de 2400 ℃): Creixement del gra i recristal·lització
- Les dimensions del gra augmenten al llarg de l'eix a fins a una mitjana de 10–150 nm i al llarg de l'eix c fins a aproximadament 60 capes (uns 20 nm);
- Els àtoms de carboni experimenten un refinament de la xarxa mitjançant la migració interna o intermolecular, mentre que la taxa d'evaporació de les substàncies de carboni augmenta exponencialment amb la temperatura;
- Es produeix un intercanvi actiu de materials entre les fases sòlida i gasosa, donant lloc a la formació d'una estructura cristal·lina de grafit altament ordenada.
III. Optimització de la temperatura mitjançant processos especials
A. Grafitització catalítica
L'addició de catalitzadors com el ferro o el ferrosilici pot reduir significativament les temperatures de grafitització fins al rang de 1500–2200 ℃. Per exemple:
- El catalitzador de ferrosilici (25% de contingut de silici) pot baixar la temperatura de 2500–3000 ℃ a 1500 ℃;
- El catalitzador BN pot reduir la temperatura per sota dels 2200 ℃ alhora que millora l'orientació de les fibres de carboni.
B. Grafitització a temperatura ultraalta
Utilitzat per a aplicacions d'alta puresa com ara grafit de grau nuclear i aeroespacial, aquest procés empra escalfament per inducció de mitjana freqüència o escalfament per arc de plasma (per exemple, temperatures del nucli del plasma d'argó que arriben als 15.000 ℃) per aconseguir temperatures superficials superiors a 3200 ℃ en els productes;
- El grau de grafitització supera el 0,99, amb un contingut d'impureses extremadament baix (contingut de cendres <0,01%).
IV. Impacte de la temperatura en els efectes de la grafitització
A. Resistivitat i conductivitat tèrmica
Per cada augment de 0,1 en el grau de grafitització, la resistivitat disminueix un 30% i la conductivitat tèrmica augmenta un 25%. Per exemple, després del tractament a 3000 ℃, la resistivitat del grafit pot baixar fins a 1/4–1/5 del seu valor inicial.
B. Propietats mecàniques
Les altes temperatures redueixen l'espai entre capes de grafit a valors gairebé ideals (0,3354 nm), millorant significativament la resistència al xoc tèrmic i l'estabilitat química (amb una reducció del coeficient d'expansió lineal del 50% al 80%), alhora que confereixen lubricitat i resistència al desgast.
C. Millora de la puresa
A 3000 ℃, els enllaços químics del 99,9% dels compostos naturals es trenquen, permetent que les impureses s'alliberin en forma gasosa i donant com a resultat una puresa del producte del 99,9% o superior.
Data de publicació: 11 de setembre de 2025