كيفية التمييز بين الأكسدة المسبقة/التفحيم/التغرافيت

يجب أن تخضع الأسلاك الخام المصنوعة من البولي أكريلونيتريل (PAN) للأكسدة المسبقة، والكربنة في درجات حرارة منخفضة، والكربنة في درجات حرارة عالية لتشكيلألياف الكربونثم يتم تحويلها إلى ألياف جرافيتية. تتراوح درجة الحرارة من 200 درجة مئوية إلى 2000-3000 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تفاعلات مختلفة وتكوين هياكل مختلفة، والتي بدورها تتمتع بخصائص مختلفة.
1. مرحلة التحلل الحراري:الأكسدة المسبقة في الجزء ذي درجة الحرارة المنخفضة، والتفحيم بدرجة حرارة منخفضة في الجزء ذي درجة الحرارة العالية
تحدث عملية الأريلة قبل الأكسدة، وتستغرق حوالي 100 دقيقة، عند درجة حرارة تتراوح بين 200 و300 درجة مئوية، بهدف تحويل السلسلة الجزيئية الكبيرة الخطية من البولي أكريلونيتريل الحراري إلى بنية شبه منحرفة غير بلاستيكية مقاومة للحرارة. وتتمثل التفاعلات الرئيسية في تكوين حلقات السلسلة الجزيئية الكبيرة وتكوين روابط متقاطعة بين الجزيئات، مصحوبة بتفاعل التحلل الحراري وإطلاق العديد من الجزيئات الصغيرة. ويتراوح مؤشر الأريلة عادةً بين 40 و60%.
درجة حرارة الكربنة المنخفضةتتراوح درجة الحرارة عمومًا بين 300 و800 درجة مئوية، وهي تفاعل تكسير حراري بشكل أساسي، وتستخدم في الغالب تسخين الأسلاك في فرن كهربائي عالي الحرارة، وتنتج هذه المرحلة كمية كبيرة من غاز العادم والقطران.
الخصائص: يصبح لون الألياف المؤكسدة مسبقًا أغمق، وعادة ما يكون أسود، لكنها لا تزال تحتفظ بشكل الألياف، وقد خضعت البنية الداخلية لدرجة معينة من التغيرات الكيميائية، وتكوين عدد من المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين وبنية الربط المتقاطع، مما يمهد الطريق للكربنة اللاحقة.
2. مرحلة الكربنة (ذات درجة الحرارة العالية)تُعرف هذه العملية بالأكسدة المسبقة للمادة الأولية في جو خامل عند درجة حرارة عالية، حيث يتم إزالة ذرات الكربون غير المتجانسة (مثل الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين وغيرها)، مما يؤدي إلى التفحيم التدريجي وتكوين بنية الكربون غير المتبلور أو بنية الكربون الميكروكريستالية. تُعد هذه العملية خطوة أساسية في تكوين الهيكل الكربوني. تتراوح درجة الحرارة عادةً بين 1000 و1800 درجة مئوية، وهي تفاعل تكثيف حراري في المقام الأول، وتُستخدم معظم سخانات الجرافيت للتسخين.
الخصائص: المكون الرئيسي للمادة المتفحمة هو الكربون، وبنيتها في الغالب كربون غير متبلور أو بنية جرافيت فوضوية، وتوصيلها الكهربائي وخصائصها الميكانيكية مقارنة بمنتج ما قبل الأكسدة تشهد زيادة كبيرة.
3. التغرافيتتُعدّ هذه العملية معالجة حرارية إضافية لمنتجات الكربنة عند درجات حرارة أعلى، بهدف تحسين بنية الكربون غير المتبلور أو الكربون الميكروكريستالي وتحويله إلى بنية بلورية جرافيتية أكثر انتظامًا. وبفعل الحرارة العالية، تُعاد ترتيب ذرات الكربون لتشكيل بنية شبكية سداسية ذات درجة عالية من التوجيه، مما يُحسّن بشكل ملحوظ التوصيل الكهربائي والحراري والمتانة الميكانيكية للمادة.
الخصائص: يتميز المنتج المُجرافن ببنية جرافيتية عالية التبلور، مما يوفر توصيلًا كهربائيًا وحراريًا ممتازًا، بالإضافة إلى قوة نوعية عالية ومعامل مرونة نوعي عالٍ. على سبيل المثال، معامل مرونة عالٍألياف الكربونيتم الحصول عليها من خلال درجة عالية من التغرافيت.
الخطوات المحددة ومتطلبات المعدات اللازمة لعمليات الأكسدة المسبقة والتفحيم والتحويل إلى جرافيت:
الأكسدة المسبقة: تتم في الهواء عند درجة حرارة مضبوطة تتراوح بين 200 و300 درجة مئوية. يجب تطبيق الشد لتقليل انكماش الألياف.
التفحيم: يتم في جو خامل مع زيادة تدريجية في درجة الحرارة إلى 1000-2000 درجة مئوية.
التغرافيت: يتم إجراؤه في درجات حرارة أعلى (2000-3000 درجة مئوية)، عادة في فراغ أو في جو خامل.