Пиролитический графит (высокоориентированный пирографит ВОПГ/HOPG)

Пиролитический графит (пирографит) представляет собой поликристаллическую модификацию углерода, полученную методом химического осаждения из газовой фазы продуктов пиролиза углеводородов. Материал характеризуется высокой степенью ориентации кристаллических плоскостей, что обеспечивает уникальные физико-химические свойства: высокую плотность, низкую газопроницаемость, диамагнетизм, анизотропию электро- и теплопроводности.

В зависимости от условий синтеза различают низкоплотный и высокоплотный пиролитический графит, практически изотропный и сильно анизотропный. Наиболее востребованным в промышленности и научных исследованиях является высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ) с углом разориентации базисных плоскостей менее 1°.

Физико-химические свойства пиролитического графита

Уникальные эксплуатационные характеристики пирографита определяются его высокоупорядоченной слоистой структурой:

Высокая плотность и отсутствие открытой пористости

Плотность пиролитического графита составляет 2100-2260 кг/м³, что близко к теоретической плотности идеального графита (2267 кг/м³). Материал характеризуется полным отсутствием открытых пор, что обеспечивает газонепроницаемость и химическую стойкость.

Диамагнетизм

Пирографит является диамагнетиком с магнитной восприимчивостью χ ≈ −450×10⁻⁶ emu/g для направления перпендикулярно базисным плоскостям. Это свойство используется для создания магнитных подвесов и систем левитации. Диамагнетизм пиролитического графита обусловлен орбитальным движением электронов в высокоупорядоченных графеновых слоях.

Низкая газопроницаемость

Коэффициент газопроницаемости пирографита для гелия при комнатной температуре не превышает 10⁻⁸ см²/с, что на 3-4 порядка ниже, чем у обычного графита. Это свойство критично для применения в вакуумной технике и герметичных устройствах.

Термическая и химическая стойкость

Пиролитический графит сохраняет стабильность структуры до температуры 3000°C в инертной атмосфере. Устойчив к воздействию кислот, щелочей, органических растворителей. Окисление на воздухе начинается при температуре выше 550°C.

Анизотропия свойств

Пирографит обладает ярко выраженной анизотропией физических свойств:

• Отношение теплопроводности вдоль слоёв к теплопроводности поперёк слоёв достигает 200:1
• Теплопроводность вдоль базисных плоскостей: 1800-2000 Вт/(м·К)
• Теплопроводность поперёк базисных плоскостей: 5-10 Вт/(м·К)
• Электрическое сопротивление поперёк слоёв в 10⁴ раз выше, чем вдоль слоёв

Технология производства пиролитического графита

Промышленное получение пирографита осуществляется методом химического осаждения из газовой фазы (CVD — Chemical Vapor Deposition).

Процесс пиролиза углеводородов

Основной метод — термическое разложение (пиролиз) газообразных углеводородов (метан, пропан, природный газ) при температуре 750-2400°C с осаждением химически чистого углерода на разогретую подложку.

Технологический процесс включает следующие стадии:

1. Подготовка подложки (графитовой или керамической) и нагрев до рабочей температуры
2. Подача углеводородного газа в реакционную зону
3. Пиролитическое разложение углеводородов с образованием атомарного углерода
4. Послойное осаждение углерода на подложку с образованием высокоупорядоченной структуры
5. Охлаждение и отделение пирографита от подложки

Скорость осаждения составляет 0,1-10 мкм/час в зависимости от температуры и состава газовой смеси. Для получения изделий толщиной 1-5 мм требуется 100-500 часов непрерывного процесса.

Карбонизация полимеров

Альтернативный метод — карбонизация углеродсодержащих полимеров (фенолформальдегидных смол, полиимидов) в фазе конденсации с последующим высокотемпературным отжигом при 2500-3000°C. Этот способ используется для изготовления изделий сложной формы: пластин, колец, втулок, уплотнений.

Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ)

ВОПГ (Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG) — разновидность пирографита с максимальной степенью ориентации кристаллографических плоскостей. Угол разориентации базисных плоскостей составляет менее 1° (для стандартных марок 0,4-1°).

Классификация ВОПГ по ориентации

В зависимости от ориентации кристаллографических плоскостей относительно оси изделия различают:

• Параллельно ориентированный ВОПГ — базисные плоскости C-C параллельны плоскости пластины. Обеспечивает максимальную теплопроводность в плоскости изделия
• Перпендикулярно ориентированный ВОПГ — базисные плоскости перпендикулярны плоскости пластины. Используется для теплоизоляции

Односторонний и двусторонний ВОПГ

Для пластин различают:

• Односторонний ВОПГ — высокая степень ориентации только с одной стороны пластины
• Двусторонний ВОПГ — обе поверхности имеют высокую степень ориентации

Отличие пиролитического графита от пиролитического углерода

Важно различать пиролитический углерод (ПУ) и пиролитический графит (ПГ):

Пиролитический углерод (ПУ)

Пиролитический углерод — предшественник пирографита. Производится нанесением метана или других углеводородов на горячую поверхность при температуре 1000-1500°C. Не имеет высокоориентированной трехмерной кристаллографической структуры. Теплопроводность составляет около 300 Вт/(м·К).

Пиролитический графит (ПГ)

Пиролитический графит получают высокотемпературным отжигом пиролитического углерода при температуре 2800-3000°C. В процессе графитизации формируется высокоупорядоченная трехмерная кристаллическая решетка с параллельными графеновыми слоями. Теплопроводность достигает 1800-2000 Вт/(м·К).

Марки пиролитического графита

В России и странах СНГ производятся следующие марки пирографита:

Марки по плотности и структуре

• РГБ — рекристаллизованный графит высокой плотности
• МПГ — мелкозернистый пиролитический графит
• ЕГ — естественно-графитизированный пирографит
• СУ — стеклоуглерод (пироуглерод низкой плотности)

Специализированные марки

• УПВ-1 — пирографит анизотропный для уплотнений и прокладок высокого давления
• ПГИ — пирографит изотропный для деталей, работающих в условиях всесторонних нагрузок

Марки различаются содержанием примесей, степенью графитизации, способностью к расширению/сжатию, электрическим сопротивлением, термостойкостью.

Применение пиролитического графита

Уникальные свойства пирографита обеспечивают его применение в высокотехнологичных отраслях:

Электроэнергетика и электротехника

• Полупроводниковые подложки для эпитаксиального роста кристаллов
• Нагревательные элементы высокотемпературных печей
• Электроды для электроэрозионной обработки
• Графитовые тигли для выращивания монокристаллов

Приборостроение

• Малогабаритные радиаторы для охлаждения мощных электронных компонентов
• Теплоотводящие элементы для лазерных диодов высокой мощности
• Теплоизоляторы для высокотемпературного оборудования
• Калибровочные образцы для атомно-силовой микроскопии (АСМ)
• Проводящие подложки для сканирующей туннельной микроскопии (СТМ)

Химическая промышленность

• Антифрикционные втулки и подшипники для агрессивных сред
• Уплотнения высокого давления для химических реакторов
• Футеровка оборудования, работающего с концентрированными кислотами

Машиностроение

• Торцевые уплотнения валов насосов
• Кольца уплотнительные для компрессоров
• Антифрикционные пластины для узлов трения

Формы поставки пиролитического графита

Мы поставляем пирографит в следующих формах:

Пластины и диски ВОПГ

• Толщина: 0,1-10 мм
• Размеры: до 100×100 мм
• Угол разориентации: 0,4-1°
• Плотность: 2200-2260 кг/м³
• Ориентация: параллельная или перпендикулярная

Порошок пиролитического графита

• Фракция: 1-100 мкм
• Чистота: не менее 99,9% углерода
• Применение: наполнитель композитов, смазочные материалы

Изделия из пирографита по чертежам

• Пластины прямоугольные и круглые
• Кольца уплотнительные
• Втулки и подшипники
• Диски и мембраны

Специализированная продукция

Графитовая кювета с пиропокрытием

Кювета графитовая типа PE с пиролитическим покрытием применяется в атомно-абсорбционной спектрометрии для определения микропримесей металлов. Пиропокрытие обеспечивает химическую инертность и продлевает срок службы кюветы.

Лента графитовая пироуглеродная

Гибкая графитовая лента с пироуглеродным покрытием толщиной 0,1-0,5 мм применяется для уплотнений высокотемпературного оборудования, экранирования в вакуумных печах.

Условия поставки пиролитического графита

Для оформления заказа укажите:

• Форму изделия (пластина, диск, порошок, изделие по чертежу)
• Размеры и толщину
• Марку пирографита (ВОПГ, УПВ-1, ПГИ, РГБ)
• Ориентацию кристаллографических плоскостей (параллельная/перпендикулярная)
• Требуемое количество

Минимальная партия — от 1 единицы. Срок изготовления изделий по чертежам — 15-30 рабочих дней в зависимости от сложности.

Каждая партия сопровождается сертификатом качества с указанием плотности, степени графитизации, угла разориентации, содержания примесей по данным спектрального анализа.

Для получения коммерческого предложения и технической консультации по выбору марки пирографита направьте запрос на электронную почту или свяжитесь с нашими специалистами через форму обратной связи на сайте.

Техническая литература о пирографите

Для углубленного изучения свойств и технологии производства пиролитического графита рекомендуем ознакомиться с монографией «Пирографит: производство, свойства, характеристики»:

Пирографит. (производство, свойства, характеристики)