ไอโซทรอปิกกับแอนไอโซทรอปิกกราไฟท์: "โค้ด" ระดับไมโครของไอโซสแตติกกราไฟท์

ผู้เขียนทำงานที่ Sเอชเจ คาร์บอนเป็นวิศวกรโซลูชันกราไฟท์พิเศษและมีประสบการณ์มากกว่า 13 ปี-ในด้านโครงการ เขาเดินตามลูกค้าเข้ามา.การรักษาความร้อนสูญญากาศ, การหล่อที่แม่นยำ, การขึ้นรูปแก้วและอุปกรณ์เคมี- เขามีส่วนร่วมในกระบวนการทั้งหมด ตั้งแต่การเลือกวัสดุตั้งแต่เนิ่นๆ และการประเมินเกรด ไปจนถึงการวิเคราะห์ความล้มเหลวที่ไซต์งานในภายหลัง

เนื่องจากพื้นฐานนี้ บทความนี้จึงไม่อ่านเหมือนในตำราเรียน มันมาจากของจริงข้อมูลภาคสนามและข้อเสนอแนะจากผู้ใช้ปลายทางจำนวนมาก ผู้เขียนเน้นเฉพาะระบบของกราไฟท์ประดิษฐ์และพยายามสร้างโครงสร้างที่ชัดเจนโดยรอบ เป้าหมายของเขาคือการช่วยให้วิศวกรมองเห็นตรรกะระดับจุลภาคเบื้องหลังไอโซโทรปิกและแอนไอโซโทรปิกเพื่อให้พวกเขาสามารถตัดสินใจได้ดีขึ้นเมื่อเลือกเกรดกราไฟท์ที่แตกต่างกันสำหรับโครงการของตน

ในการทำงานประจำวันกับกราไฟท์เทียม วิศวกรหลายคนถามคำถามง่ายๆ แต่สำคัญมาก:

- กราไฟท์ไอโซสแตติกหมายถึงไอโซโทรปิกกราไฟท์โดยธรรมชาติหรือไม่

- เราจะตัดสินไอโซโทรปิกกราไฟท์จากข้อมูล ไม่ใช่แค่จากฉลากได้อย่างไร

- แอนไอโซโทรปีของกราไฟท์ที่ขึ้นรูปและอัดขึ้นรูปเปลี่ยนคุณสมบัติหลักในการใช้งานจริงอย่างไร

ในระดับมหภาค เราเห็นตัวเลขต่างๆ เช่น ความต้านทานไฟฟ้า สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน ความแข็งแรง และการนำความร้อน ในระดับจุลภาค ตัวเลขเหล่านี้มาจากรูปร่างของเมล็ดโค้ก การวางแนว และระดับของการสร้างกราฟ- ในแง่นี้ทุกบล็อคของกราไฟท์ประดิษฐ์มี "ไมโครโค้ด" อยู่ข้างใน ในส่วนต่อไปนี้ เราจะเริ่มต้นจากการผลิตกราไฟท์เทียม และถอดรหัสไมโครโค้ดนี้ทีละขั้นตอน

กราไฟท์ประดิษฐ์โดยทั่วไปหมายถึงวัสดุแข็งจำนวนมากที่ใช้วัตถุดิบคาร์บอนที่ไม่บริสุทธิ์-เป็นมวลรวม เช่น -โค้กปิโตรเลียมที่ผ่านการเผาคุณภาพสูง ถ่านหินหรือวัสดุที่คล้ายกันทำหน้าที่เป็นสารยึดเกาะ หลังจากการแบทช์ การผสม การขึ้นรูป คาร์บอไนเซชัน และกราไฟท์ไลเซชัน เราจะได้บล็อกกราไฟท์ที่เป็นของแข็ง ผลิตภัณฑ์ทั่วไป ได้แก่ อิเล็กโทรดกราไฟท์ กราไฟท์ไอโซสแตติก กราไฟท์ขึ้นรูป และกราไฟท์อัดขึ้นรูป

เส้นทางกระบวนการทั่วไปเส้นทางหนึ่งมีลักษณะดังนี้:

1) ใช้ปิโตรเลียมโค้กเผาคุณภาพสูง-เป็นผงเป็นวัตถุดิบหลัก

2) เพิ่มถ่านหิน pitch เป็นตัวประสานและผสมสารเติมแต่งอื่น ๆ จำนวนเล็กน้อย

3) นวดส่วนผสมแล้วกดให้เป็นสีเขียว

4) ให้ความร้อนร่างกายที่อุณหภูมิ 2500–3000 องศาในบรรยากาศที่ไม่-ออกซิไดซ์ ขั้นตอนนี้จะเปลี่ยนโครงสร้างให้เป็นกราไฟท์และสร้างเครือข่ายคริสตัลกราไฟท์ที่เสถียร

ภายใต้กรอบกระบวนการนี้ วิธีการขึ้นรูปที่แตกต่างกัน-การกดแบบคงที่ การขึ้นรูป และการอัดขึ้นรูป- สร้างคุณลักษณะแอนไอโซทรอปิกที่แตกต่างกันมากในเนื้อหาขั้นสุดท้าย วิศวกรมักจะรักษากราไฟท์แบบไอโซสแตติกเป็นรูปแบบทั่วไปของกราไฟท์ไอโซโทรปิกในขณะที่กราไฟท์ที่ขึ้นรูปและอัดขึ้นรูปจะแสดงแอนไอโซโทรปีที่ชัดเจน

ความแตกต่างของคุณสมบัติมาโครมาจากการผสมผสานระหว่างกระบวนการและโครงสร้างจุลภาคโดยตรง

หากเราดูเฉพาะข้อมูลมาโครเมื่อเราประเมินกราไฟท์เทียมเราอาจเพิกเฉยต่อข้อเท็จจริงพื้นฐานประการหนึ่ง วัสดุไม่เป็นบล็อกสีดำสม่ำเสมอ ประกอบด้วยเมล็ดโค้กจำนวนนับไม่ถ้วนที่อัดรวมกันในระดับไมโครคริสตัล เราสามารถถือว่ากราไฟท์เป็นกลุ่มของเมล็ดโค้กจำนวนมาก ธัญพืชเหล่านี้มักมาจากโค้กเข็มหรือวัตถุดิบที่คล้ายกัน รูปร่างของมันดูเหมือนเมล็ดยาวมากขึ้น

เราสามารถใช้ภาพง่ายๆ แบบจำลอง "ข้าวกับถัง":

- ถือว่าโค้กเข็มแต่ละชิ้นเหมือนข้าวหนึ่งเมล็ด

- ถือว่าแม่พิมพ์หรือภาชนะเป็นรูปร่างสุดท้ายของบล็อกกราไฟท์

- เท "เมล็ดข้าว" เหล่านี้ลงใน "ถัง" ผสมกับเครื่องผูก เช่น ขว้าง แล้วออกแรงกดจากภายนอก

- หลังจากการกดและผ่านกระบวนการให้ความร้อน คุณจะได้ตัวกราไฟท์เทียมจำนวนมากที่มีรูปร่างเหมือนกับ "ถัง"

หากเราดูสิ่งนี้จากทิศทางแรงโน้มถ่วง เราจะเห็นผลอีกอย่างหนึ่ง ในระหว่างการตกตะกอน เม็ดโค้กจำนวนมากมักจะเรียงไปในทิศทางที่ต้องการ เช่นเดียวกับเมล็ดข้าวที่มีแนวโน้มจะนอนในถังในลักษณะเดียวกัน การวางแนวเกรนที่ต้องการนี้จะชัดเจนมากในผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปและอัดขึ้นรูป และทำให้เกิดแอนไอโซโทรปีที่ชัดเจนในกราไฟท์ขั้นสุดท้าย

เป้าหมายของกระบวนการไอโซสแตติกคือการลดการวางแนวที่ต้องการนี้ โดยจะใช้แรงกดเกือบเท่ากันในสามทิศทาง และดันเมล็ดโค้กไปสู่การกระจายเชิงพื้นที่แบบสุ่มมากขึ้น ด้วยวิธีนี้ วัสดุจะเคลื่อนที่เข้าใกล้ไอโซโทรปิกกราไฟท์มากขึ้น แต่ "ใกล้ไอโซโทรปี" ไม่ได้หมายความว่าทุกจุดข้อมูลจะเหมือนกันทุกประการในทุกทิศทาง สิ่งนี้นำไปสู่คำถามถัดไป

ในงานวิศวกรรมจริง ไอโซโทรปิกกราไฟท์ไม่ได้หมายความว่าคุณสมบัติที่วัดได้ทั้งหมดจะคงค่าเดียวกันในทุกทิศทาง คนในอุตสาหกรรมมักจะใช้วิธีการปฏิบัติมากกว่า โดยวัดตัวอย่างตามทิศทางตั้งฉากสองทิศทาง เช่น ตามทิศทางความยาว และตามทิศทางความกว้างหรือเส้นผ่านศูนย์กลาง จากนั้นจึงดูอัตราส่วนของคุณสมบัติ เช่น ความต้านทานไฟฟ้าและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน

นำบล็อกสี่เหลี่ยมของ กราไฟท์แบบไอโซสแตติกเป็นตัวอย่าง เราใช้พื้นผิวทดสอบหนึ่งพื้นผิวตามทิศทางความยาวและอีกหนึ่งพื้นผิวตามทิศทางความกว้าง ชุดข้อมูลการทดสอบทั่วไปอาจมีลักษณะดังนี้:

ในโรงงานและการใช้งานจำนวนมาก เมื่ออัตราส่วนความต้านทานของกราไฟท์แบบไอโซสแตติกเกรดจะอยู่ระหว่าง 1.0 ถึง 1.1 วิศวกรถือว่าเกรดนี้เป็นไอโซโทรปิก หากอัตราส่วนเกิน 1.1 จะถือว่าเป็นแอนไอโซโทรปิก สำหรับการใช้งานที่ให้ความสำคัญกับพฤติกรรมทางความร้อนหรือทางกล อาจใช้อัตราส่วนของ CTE หรือความแข็งแรงในลักษณะเดียวกัน

ตัวอย่างนี้ยังให้ข้อความสำคัญสองข้อความ:

- กราไฟท์ไอโซสแตติกยังคงมีคุณสมบัติแบบไมโครไดนามิกอยู่บ้าง กระบวนการนี้จำกัดคุณสมบัติเหล่านี้ให้เหลือเพียงช่วงเล็กๆ เท่านั้น

- ความหมายทางวิศวกรรมของไอโซโทรปีหมายความว่าคุณสมบัติหลักอยู่ใกล้เพียงพอในทิศทางที่ต่างกันภายในช่วงที่ยอมรับได้ ไม่ได้หมายถึงความเท่าเทียมกันที่สมบูรณ์แบบในแง่คณิตศาสตร์ที่เข้มงวด

ดังนั้นในการใช้งานจริง:

- หากคุณต้องการความเสถียรของมิติที่สูงมากหรือการกระจายกระแสที่สม่ำเสมอมาก คุณควรใส่ใจกับอัตราส่วนเหล่านี้อย่างใกล้ชิด

- หากกระบวนการของคุณไวต่อคุณสมบัติหนึ่งอย่างมาก คุณสามารถมุ่งเน้นไปที่ข้อมูลในทิศทางวิกฤต แทนที่จะดูเพียงค่าเฉลี่ยเพียงค่าเดียว