تحتاج الأسلاك الخام القائمة على PAN إلى الأكسدة المسبقة، والتفحيم في درجات حرارة منخفضة، والتفحيم في درجات حرارة عالية لتشكيلألياف الكربون، ثم تُحوّل إلى ألياف الجرافيت. تتراوح درجة الحرارة بين ٢٠٠ و٢٠٠٠-٣٠٠٠ درجة مئوية، مما يُحدث تفاعلات مختلفة ويُشكّل هياكل مختلفة، والتي بدورها تتميز بخصائص مختلفة.
1. مرحلة التحلل الحراري:الأكسدة المسبقة في الجزء منخفض الحرارة، والكربنة منخفضة الحرارة في الجزء عالي الحرارة
يحدث الأريلة المسبقة للأكسدة، وتستمر لمدة تقارب 100 دقيقة، ودرجة حرارة تتراوح بين 200 و300 درجة مئوية. والغرض من ذلك هو تحويل سلسلة PAN الخطية الجزيئية الكبيرة إلى هيكل شبه منحرف غير بلاستيكي مقاوم للحرارة. ويتمثل التفاعل الرئيسي للسلسلة الجزيئية الكبيرة في تكوين حلقات وتشابك بين الجزيئات، مصحوبًا بتفاعل التحلل الحراري وإطلاق العديد من الجزيئات الصغيرة. ويتراوح مؤشر الأريلة عادةً بين 40 و60%.
درجة حرارة الكربنة المنخفضةتكون درجة الحرارة عمومًا 300-800 درجة مئوية، ويتم ذلك بشكل أساسي عن طريق تفاعل التكسير الحراري، والذي يستخدم في الغالب تسخين سلك الفرن الكهربائي عالي الحرارة، وتنتج المرحلة كمية كبيرة من غاز العادم والقطران.
الخصائص: يصبح لون الألياف المؤكسدة مسبقًا أغمق، وعادة ما يكون أسود، لكنه لا يزال يحتفظ بشكل الألياف، وقد خضع الهيكل الداخلي لدرجة معينة من التغيرات الكيميائية، وتشكيل عدد من المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين وبنية مترابطة، مما يضع الأساس للكربنة اللاحقة.
2. مرحلة الكربنة (عالية الحرارة)هي عملية أكسدة مسبقة للمادة الأولية في جو خامل، مع تحلل حراري عالي الحرارة، مع إزالة ذرات الكربون غير المتجانسة (مثل الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين، إلخ)، مما يؤدي إلى الكربنة التدريجية، وتكوين بنية كربونية غير متبلورة أو كربونية دقيقة التبلور. تُعد هذه العملية خطوة أساسية في تكوين هيكل الكربون. تتراوح درجة الحرارة عادةً بين 1000 و1800 درجة مئوية، ويعتمد هذا التفاعل بشكل رئيسي على التكثيف الحراري، وتُستخدم معظم سخانات الجرافيت للتسخين.
الخصائص: المكون الرئيسي للمادة المتفحمة هو الكربون، والبنية هي في الغالب عبارة عن كربون غير متبلور أو بنية جرافيت فوضوية، وموصليتها الكهربائية وخصائصها الميكانيكية مقارنة بالمنتج المؤكسد مسبقًا لها زيادة كبيرة.
3. الجرافيتهي معالجة حرارية إضافية لمنتجات الكربنة عند درجات حرارة أعلى، بهدف تحسين بنية الكربون غير المتبلور أو الكربون دقيق التبلور إلى بنية بلورية جرافيتية أكثر انتظامًا. بفضل درجات الحرارة العالية، يُعاد ترتيب ذرات الكربون لتكوين بنية طبقية شبكية سداسية ذات اتجاه عالي، مما يُحسّن بشكل كبير من التوصيل الكهربائي والحراري والمتانة الميكانيكية للمادة.
الخصائص: يتميز المنتج الجرافيتي ببنية جرافيتية عالية التبلور، مما يوفر توصيلًا كهربائيًا وحراريًا ممتازًا، بالإضافة إلى قوة نوعية عالية ومعامل مرونة خاص. على سبيل المثال، يتميز المنتج ذو معامل المرونة العاليألياف الكربونيتم الحصول عليها من خلال درجة عالية من الجرافيت.
الخطوات المحددة ومتطلبات المعدات للأكسدة المسبقة والكربنة والجرافيت:
الأكسدة المسبقة: تُجرى في الهواء عند درجة حرارة مُتحكم بها تتراوح بين ٢٠٠ و٣٠٠ درجة مئوية. يجب تطبيق شد لتقليل انكماش الألياف.
الكربنة: تتم في جو خامل مع زيادة تدريجية في درجة الحرارة إلى 1000-2000 درجة مئوية.
الجرافيت: يتم تنفيذه في درجات حرارة أعلى (2000-3000 درجة مئوية)، وعادة في الفراغ أو في جو خامل.
وقت النشر: ٢٢ مايو ٢٠٢٥
