Графитовый экран

Графитовый экран — конструктивный элемент, который ограничивает передачу тепловой энергии или электромагнитного излучения от источника к защищаемому объекту. Основная область использования — теплоизоляция горячих зон вакуумных и защитно-атмосферных печей с рабочей температурой до 2500 °C. Вторая, менее распространённая, но технически обоснованная задача — ослабление электромагнитных помех за счёт высокой электропроводности углеродных материалов.

В обоих случаях работает одна и та же группа материалов: графитовый войлок, графитовая фольга, жёсткие углерод-углеродные плиты (УКМТ), конструкционный графит. Каждый из них обладает своим набором теплофизических и электрических характеристик, определяющих выбор конкретного решения для конкретных условий эксплуатации.

Назначение графитового экрана в промышленности

Теплоизоляционные графитовые экраны для высокотемпературного оборудования

Главное применение графитовых экранов — теплоизоляция горячих зон вакуумных печей сопротивления и индукционных печей. Здесь экранная система выполняет несколько функций одновременно: снижает потери тепла от нагревателя к водоохлаждаемому корпусу печи, обеспечивает равномерность температурного поля в рабочем пространстве и защищает стенки камеры от перегрева.

Графит и углеродные материалы в вакууме и инертных средах (аргон, азот, гелий) стабильны вплоть до температур сублимации, составляющей около 3900 K. На практике графитовые экраны эксплуатируют при рабочих температурах до 2200–2500 °C, что делает их единственной реальной альтернативой металлическим экранам из молибдена и вольфрама в высокотемпературных установках.

Типичные области использования тепловых графитовых экранов:

• вакуумные печи сопротивления для термообработки металлов и сплавов (закалка, отжиг, отпуск, спекание);
• установки выращивания монокристаллов кремния, сапфира и других полупроводниковых материалов (методы Чохральского, Бриджмена);
• печи для графитизации углеродных заготовок при температурах 2400–3000 °C;
• печи спекания изделий из порошковой металлургии и керамики;
• вакуумные паяльные и диффузионно-сварочные установки.

Экранирование электромагнитного излучения графитом

Графит — электропроводный материал. Удельное электрическое сопротивление поликристаллического графита составляет порядка 5–50 мкОм·м в зависимости от марки, степени графитизации и направления измерения (графит анизотропен). Эта электропроводность достаточна для формирования вихревых токов (токов Фуко) при воздействии переменного электромагнитного поля.

Механизм экранирования заключается в следующем: переменное электромагнитное поле индуцирует в толще проводящего графитового экрана вихревые токи, которые создают собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему. В результате за экраном напряжённость поля снижается. Часть энергии при этом рассеивается в виде джоулева тепла внутри экрана. Чем выше электропроводность материала и чем больше его толщина (относительно глубины скин-слоя на данной частоте), тем эффективнее ослабление.

На практике для ЭМИ-экранирования помещений и оборудования чаще применяют медь, алюминий или сталь, так как их электропроводность существенно выше, чем у графита. Однако у графитовых экранирующих материалов есть ряд преимуществ в специфических условиях:

• химическая инертность к кислотам, щелочам и большинству агрессивных сред;
• работоспособность при высоких температурах, при которых металлы окисляются или плавятся;
• малая плотность (1,4–1,75 г/см³ у конструкционного графита против 8,9 г/см³ у меди);
• возможность совмещения функций теплового и электромагнитного экрана в одном изделии.

Графитовые экранирующие материалы применяют, в частности, в токопроводящих красках и покрытиях на основе порошкового графита, в композитных панелях с наполнителем из терморасширенного графита (ТРГ) и в специальных многослойных конструкциях для объектов, работающих в агрессивных средах и при повышенных температурах.

Материалы для изготовления графитовых экранов

Графитовый войлок — мягкий и жёсткий

Мягкий графитовый войлок — основной материал теплоизоляционных экранов для вакуумных печей. Изготавливается из углеродных волокон на основе полиакрилонитрила (ПАН) или вискозы путём карбонизации при 800–1200 °C и последующей графитизации при 2200–2400 °C.

Ключевые характеристики мягкого графитового войлока:

Войлок на основе вискозных волокон (технология RAYON) отличается меньшим содержанием золы и более высокой термостойкостью по сравнению с ПАН-войлоком, что критично для полупроводниковой промышленности и выращивания кристаллов.

Жёсткий графитовый войлок (углерод-углеродный композит, например УКМТ-1) — это стабильный по форме теплоизоляционный материал, получаемый уплотнением углеродного войлока фенольными смолами или пиролитическим углеродом. Из жёсткого войлока изготавливают теплоизоляционные экраны заданной геометрии: цилиндры, конусы, плиты. Рабочая температура — до 2500 °C в вакууме.

Графитовая фольга из терморасширенного графита

Графитовая фольга (гибкий графит, материалы типа МГЛ и др.) изготавливается из терморасширенного графита (ТРГ) путём прокатки без связующего. Фольга сочетает гибкость с высокой теплостойкостью и применяется как отражающий элемент в многослойных экранных конструкциях.

Основные характеристики графитовой фольги:

Графитовая фольга хорошо подходит для изготовления экранирующих конструкций сложной формы, так как легко изгибается, режется и может армироваться металлической сеткой, стекловолокном или хлопковой нитью для повышения прочности.

Конструкционный графит и углерод-углеродные композиты

Для несущих элементов экранных конструкций — обечаек, рам, подставок — используют плотный конструкционный графит марок МПГ-6, МПГ-7, ГМЗ и изостатический графит. Плотность таких материалов составляет 1,5–1,85 г/см³, они хорошо поддаются механической обработке и выдерживают рабочие температуры до 2700 °C (в инертной среде).

Углерод-углеродные композиты (CFC, УКМК) применяют в нагруженных зонах: крепёжные элементы, силовые рамки экранов, загрузочные устройства. Они обладают высокой удельной прочностью и сохраняют механические свойства при температурах, при которых обычный графит уже существенно теряет прочность на изгиб.

Свойства графита, определяющие эффективность экранирования

Теплоизоляционные свойства графитовых материалов

Парадокс графита в том, что плотный конструкционный графит обладает высокой теплопроводностью (от 40 до 175 Вт/(м·К) в зависимости от марки и направления), а пористый войлок — напротив, очень низкой (0,04–0,28 Вт/(м·К)). Именно поэтому для теплоизоляционных экранов используют не монолитный графит, а войлочные и композитные материалы с развитой пористой структурой.

Низкая теплопроводность графитового войлока объясняется его структурой: тонкие углеродные волокна образуют хаотичную трёхмерную сеть с большим объёмом газовых пор. В вакууме конвекция отсутствует, а теплопередача через контакты волокон минимальна. В результате потери тепла через войлочный экран могут быть в 3–4 раза ниже, чем через металлический экран из молибденовых листов.

Теплопроводность графитового войлока растёт с повышением температуры за счёт лучистой составляющей теплообмена. Для компенсации этого эффекта при температурах выше 1500 °C применяют многослойные конструкции, в которых между слоями войлока устанавливают отражающие листы графитовой фольги.

Электропроводность графита и вихревые токи при ЭМИ-экранировании

Электропроводность графита значительно уступает меди (удельное сопротивление меди — около 0,017 мкОм·м, графита — 5–50 мкОм·м), однако остаётся достаточной для практического применения в задачах ослабления электромагнитных помех. В переменном электромагнитном поле в проводящем материале индуцируются вихревые токи, которые создают встречное поле и ослабляют проникающее излучение.

Глубина проникновения тока (скин-слой) в графите зависит от частоты поля. Чем выше частота, тем меньше глубина скин-слоя, тем эффективнее даже тонкий графитовый экран ослабляет поле. На радиочастотах (десятки МГц и выше) графитовые покрытия толщиной в доли миллиметра уже обеспечивают ощутимое экранирование.

Для практического ЭМИ-экранирования на основе графита применяют два основных подхода:

• нанесение токопроводящих покрытий (красок, грунтовок) с графитовым наполнителем — простой и экономичный способ, эффективность ослабления — порядка 15–27 дБ при многослойном нанесении;
• монтаж многослойных панелей с графитовым поглощающим слоем — более сложный, но обеспечивающий эффективность экранирования до 40 дБ и выше в зависимости от конструкции.

Химическая стойкость графита и ограничения по рабочей среде

Графит не взаимодействует с большинством кислот, растворов щелочей и солей. Не смачивается расплавленными металлами и расплавленным стеклом. Эта химическая инертность позволяет использовать графитовые экраны в агрессивных средах, где металлические экраны быстро корродируют.

Однако у графита есть принципиальное ограничение: в присутствии кислорода он начинает окисляться (сгорать) при температурах выше 450–500 °C. Поэтому графитовые тепловые экраны эксплуатируют только в вакууме или инертной атмосфере. На воздухе рабочая температура ограничена 300–400 °C. Это ключевой фактор, определяющий область применения: высокотемпературные экраны — только для закрытых систем с контролируемой средой.

Конструкции тепловых экранов из графита

Однослойные и многослойные экранные системы

Простейшая конструкция — однослойный экран из мягкого графитового войлока толщиной 20–50 мм, обёрнутого вокруг горячей зоны печи. Такое решение достаточно для рабочих температур до 1000–1200 °C.

Для высокотемпературных печей (1500–2500 °C) применяют многослойные конструкции. Типичная компоновка:

• внутренний слой — жёсткий графитовый войлок (УКМТ) или конструкционный графит, работающий как опора и защитная оболочка;
• средние слои — мягкий графитовый войлок в несколько слоёв, обеспечивающий основную теплоизоляцию;
• между слоями войлока — листы графитовой фольги, играющие роль отражающих экранов (снижают лучистый теплообмен);
• наружный слой — защитный кожух из графита или CFC.

Количество слоёв и общая толщина экранной системы определяются расчётом на основе температурного перепада между горячей зоной и корпусом печи, а также требований к энергоэффективности.

Сборные и разборные конструкции графитовых экранов

Экранные системы вакуумных печей конструктивно делятся на боковые (цилиндрические) и торцевые (дисковые) блоки. Крепление осуществляется графитовыми штифтами, болтами, шпильками — металлический крепёж внутри горячей зоны не допускается из-за риска науглероживания и загрязнения садки.

Разборная конструкция обеспечивает возможность периодической замены изношенных элементов без демонтажа всей экранной системы. Это важно, так как графитовый войлок со временем уплотняется, теряет пористость и, соответственно, теплоизоляционные свойства. Средний срок службы мягкого войлока в печах — от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от рабочей температуры и режима эксплуатации.

Области применения графитовых экранов

Вакуумные печи сопротивления и индукционные печи

Это основной потребитель графитовых экранных систем. В вакуумных печах сопротивления графитовый нагреватель окружён многослойной экранной системой из войлока и фольги, которая минимизирует тепловые потери. В печах с рабочей температурой до 2200–2300 °C графитовая экранная теплоизоляция обеспечивает снижение потерь тепла до 75 % по сравнению с металлическими экранами, что подтверждается производственной практикой.

В индукционных печах войлочные экраны размещают таким образом, чтобы они не взаимодействовали с электромагнитным полем индуктора. Оптимальное удельное электрическое сопротивление мягкого графитового войлока позволяет использовать его в зоне действия индукционной катушки без паразитного нагрева при нагрузках, не превышающих определённые пределы.

Установки выращивания монокристаллов

Выращивание кристаллов кремния и сапфира требует чрезвычайно равномерного и стабильного теплового поля. Графитовые экраны формируют тепловую зону с минимальными градиентами температур. Для полупроводниковой промышленности принципиальна чистота материала: используют войлок на основе вискозных волокон высокой степени графитизации с содержанием золы менее 5 ppm.

Экранирование электронного оборудования от ЭМИ

Графитовые экранирующие покрытия и панели используют для защиты чувствительной электроники в условиях, где металлические экраны неприменимы: в агрессивных химических средах, при необходимости совмещения ЭМИ-экранирования с теплозащитой, в облегчённых конструкциях. Токопроводящие краски на основе графитового порошка наносят на стены помещений, корпуса приборов, элементы конструкций для ослабления электромагнитных помех.

Следует учитывать, что для задач, требующих высокого коэффициента экранирования (60 дБ и более), графитовые покрытия, как правило, уступают медным и алюминиевым экранам. Графит целесообразен как экранирующий компонент в составе комбинированных конструкций или в нишевых задачах с дополнительными требованиями к химической стойкости и термостабильности.

Сравнение графитовых экранов с металлическими

В высокотемпературном оборудовании графитовая теплоизоляция конкурирует с металлическими экранами из молибдена и вольфрама. Выбор определяется условиями эксплуатации, требованиями к чистоте процесса и экономическими факторами.

Графитовая экранная теплоизоляция экономически оправдана в большинстве случаев: сочетание низкой стоимости, малой массы, быстрого времени нагрева и охлаждения (малая тепловая инерция) и высокой термостойкости делает её предпочтительной для вакуумных печей общего назначения. Металлические экраны из молибдена сохраняют преимущество в печах, работающих с водородом (графит может образовывать углеводороды) и в установках, где критична минимальная дегазация.

Формы поставки графитовых экранов

Графитовые экранные элементы поставляются в нескольких формах, выбор которых определяется конструкцией конкретного оборудования:

Размеры, толщина и конфигурация экранных элементов определяются техническим заданием заказчика. Графитовый войлок может нарезаться и формоваться по требуемым размерам. Жёсткие элементы изготавливаются механической обработкой по чертежам.

Условия эксплуатации и хранения графитовых экранов

Эксплуатационные ограничения графитовых экранов связаны с окисляемостью углерода на воздухе при повышенных температурах и с гигроскопичностью мягкого войлока:

• при использовании в вакуумных печах необходимо обеспечить предварительную дегазацию экранных элементов — прогрев в вакууме при температуре 200–300 °C перед выходом на рабочий режим;
• графитовый войлок адсорбирует влагу из воздуха, что увеличивает время достижения рабочего вакуума; хранение следует осуществлять в сухих закрытых помещениях;
• при работе в атмосфере инертного газа необходимо контролировать содержание кислорода — даже следовые количества O₂ при температуре выше 500 °C приводят к постепенному выгоранию (эрозии) поверхности экрана;
• механические повреждения мягкого войлока (разрывы, проколы) нарушают целостность теплоизоляции и создают «мостики холода», через которые возрастают тепловые потери;
• при замене экранных элементов необходимо соблюдать требования производителя печи к толщине, количеству слоёв и порядку сборки.

Графитовые материалы для экранов хранят в заводской упаковке, в сухих помещениях при температуре 5–35 °C, избегая прямого контакта с водой и маслами. Войлок в рулонах хранят в горизонтальном положении, не допуская сдавливания — это может привести к необратимому уплотнению и снижению теплоизоляционных свойств.