Поликристаллический графит

Поликристаллический графит — углеродный материал, состоящий из множества кристаллитов (зёрен), ориентированных хаотично относительно друг друга. В отличие от монокристалла графита, где атомные слои имеют единую ориентацию, в поликристаллическом материале зёрна расположены произвольно и различаются по размеру. Такая структура характерна практически для всех промышленных марок искусственного графита — от электродных до конструкционных.

Именно поликристаллическое строение определяет эксплуатационные свойства большинства углеграфитовых изделий: тиглей, электродов, нагревателей, уплотнений, антифрикционных деталей. Ниже рассмотрены структура, физико-химические характеристики, области применения и формы поставки поликристаллического графита.

Структура поликристаллического графита

Кристаллическая решётка графита — слоистая. Внутри каждого слоя (базисной плоскости) атомы углерода образуют гексагональные кольца с расстоянием между атомами 0,142 нм. Связь внутри слоя — ковалентная, прочная. Между слоями действуют слабые ван-дер-ваальсовы силы, расстояние между плоскостями составляет 0,335 нм. Эта анизотропия строения на уровне монокристалла проявляется и в поликристаллическом материале.

В поликристаллическом графите кристаллиты ориентированы хаотично. Чем мельче зерно, тем более изотропными (одинаковыми во всех направлениях) становятся свойства изделия. Размер кристаллитов зависит от технологии: мелкозернистые марки имеют зерно 0,04–0,1 мм, крупнозернистые — 1–3 мм и более.

Плотный поликристаллический графит

Плотные разновидности характеризуются пористостью в пределах 10–15 %. Получают их методами холодного изостатического или гидростатического прессования с последующей графитацией при температурах 2400–3000 °C. Низкая пористость обеспечивает повышенную механическую прочность, газонепроницаемость и стойкость к окислению. Такие материалы применяются в вакуумной технике, полупроводниковом производстве и электроэрозионной обработке.

Пористый поликристаллический графит

Пористые разновидности имеют суммарную пористость 20–30 % и более. В них присутствуют открытые (транспортные) и закрытые (изолированные) поры. Пористость снижает прочность и теплопроводность, но упрощает пропитку — материал можно насыщать смолами, металлами, антиокислительными составами для придания специальных свойств (антифрикционных, герметизирующих, коррозионностойких). Пористые графиты применяются для фильтрации, в качестве подшипниковых и уплотнительных материалов.

Физико-химические свойства поликристаллического графита

Свойства поликристаллического графита существенно зависят от технологии производства, размера зерна, степени графитации и пористости. Ниже приведены диапазоны значений для наиболее распространённых промышленных марок.

Плотность поликристаллического графита

Здесь важно различать два понятия. Истинная (рентгенографическая) плотность идеального кристалла графита составляет 2265 кг/м³. Однако все реальные искусственные графиты содержат поры, поэтому их кажущаяся (объёмная) плотность значительно ниже — как правило, от 1500 до 1900 кг/м³ в зависимости от марки. Мелкозернистые конструкционные графиты имеют кажущуюся плотность 1650–1850 кг/м³, электродные — 1500–1650 кг/м³.

Кажущаяся плотность — практически важный параметр для инженера: именно она определяет массу готового изделия, его прочность и теплофизические характеристики. Чем выше плотность, тем ниже пористость и выше механические свойства.

Теплопроводность и термостойкость

Теплопроводность поликристаллического графита выше, чем у большинства металлов. При комнатной температуре для плотных конструкционных марок она составляет 100–180 Вт/(м·К), для отдельных высокоплотных разновидностей может достигать 300 Вт/(м·К) и более. При повышении температуры теплопроводность графита снижается — это характерная особенность графитированных материалов.

Графит не плавится, а сублимирует при температуре около 3900 К. В отсутствие кислорода изделия из поликристаллического графита стабильно работают при температурах до 2500–3000 °C. На воздухе окисление начинается при 400–500 °C и становится интенсивным выше 600 °C, что ограничивает применение графита в окислительных средах без защитных покрытий.

Электропроводность поликристаллического графита

Графит — проводник электрического тока. В монокристалле электропроводность вдоль базисных плоскостей (по слоям) на два–три порядка выше, чем перпендикулярно им. В поликристаллическом материале за счёт хаотичной ориентации зёрен анизотропия сглаживается, но не исчезает полностью — у экструзионных марок она выражена сильнее, у изостатических — слабее.

Удельное электросопротивление промышленных поликристаллических графитов составляет от 5 до 20 мкОм·м в зависимости от марки, направления измерения и степени графитации. При нагревании сопротивление графита уменьшается (отрицательный температурный коэффициент), что отличает его от металлов.

Механические свойства

Поликристаллический графит — хрупкий материал. Предел прочности при сжатии для мелкозернистых марок достигает 70–100 МПа, при изгибе — 30–50 МПа. При повышении температуры прочность графита возрастает и достигает максимума при 2500–2700 °C (примерно вдвое выше, чем при комнатной температуре). Это уникальное свойство отличает графит от большинства конструкционных материалов.

Графит хорошо поддаётся механической обработке: точению, фрезерованию, шлифованию, сверлению. Мелкозернистые марки позволяют нарезать резьбу с мелким шагом и получать изделия с тонкими стенками (до 0,8 мм). Однако при обработке образуется мелкодисперсная графитовая пыль, требующая эффективной вытяжки.

Химическая стойкость

Графит инертен к большинству расплавленных металлов — он практически не смачивается ими. Это свойство обеспечивает применение графитовых тиглей и форм в литейном производстве. Графит устойчив к воздействию кислот (кроме сильных окислительных — концентрированной азотной, хромовой), щелочей, органических растворителей, расплавленных солей.

Главная уязвимость графита — окисление при высоких температурах в присутствии кислорода или водяного пара. Для работы в окислительных средах графитовые изделия защищают пироуглеродным покрытием, силицированием или антиокислительными пропитками.

Анизотропия свойств и влияние технологии

Степень анизотропии свойств поликристаллического графита напрямую зависит от способа формования заготовки. Экструзионное прессование ориентирует зёрна кокса вдоль оси продавливания — такие изделия имеют существенно различные характеристики вдоль и поперёк оси (отношение теплопроводности может достигать 1,5:1).

Изостатическое (гидростатическое) прессование формует заготовку равномерным давлением со всех сторон, что даёт практически изотропный материал с одинаковыми свойствами во всех направлениях. Такие графиты ценятся в задачах, где важна однородность характеристик — в электроэрозионной обработке, полупроводниковом производстве и атомной энергетике.

Применение поликристаллического графита в промышленности

Металлургия и литейное производство

Высокая термостойкость и несмачиваемость расплавами определяют применение поликристаллического графита для изготовления плавильных тиглей, кристаллизаторов, литейных форм, фурм, стопоров и футеровочных элементов. Графитовые тигли используются для плавки цветных и драгоценных металлов, а также сплавов на их основе. Кристаллизаторы из мелкозернистого графита обеспечивают стабильный отвод тепла при непрерывном литье.

Электротехника и электрометаллургия

Графитовые электроды применяются в дуговых электропечах для выплавки стали, в электролизных ваннах для производства алюминия и других химически активных металлов. Из поликристаллического графита изготавливают нагреватели для вакуумных и атмосферных печей, токосъёмные щётки, контактные вставки для электротранспорта. Высокая электропроводность и термостойкость делают графит незаменимым в высокотемпературных электротехнических процессах.

Химическое аппаратостроение

Коррозионная стойкость поликристаллического графита обеспечивает его применение в химическом аппаратостроении. Из пропитанного графита изготавливают теплообменники, конденсаторы, испарители, трубы и колонное оборудование для работы с агрессивными средами — кислотами, щелочами, галогенами. Антифрикционные графиты используются в торцевых уплотнениях насосов и компрессоров, работающих с химически активными жидкостями и газами.

Атомная энергетика

Высокочистый поликристаллический графит с зольностью менее 0,01 % применяется в ядерных реакторах в качестве замедлителя и отражателя нейтронов. Графит обладает одним из наиболее высоких коэффициентов замедления нейтронов при низком сечении поглощения, что делает его эффективным конструкционным материалом для активных зон реакторов графитового типа.

Полупроводниковая промышленность и другие области

Поликристаллический графит находит применение в производстве полупроводниковых материалов (оснастка для зонной плавки, подложки для эпитаксии), в высокотемпературных вакуумных установках (экраны, теплоизоляция), в электроэрозионной обработке (электроды-инструменты), а также при производстве синтетических алмазов.

Формы поставки поликристаллического графита

Для специальных условий эксплуатации заготовки могут быть дополнительно обработаны: пропитаны смолами или металлами, покрыты пироуглеродом, силицированы, очищены до уровня зольности 0,001 % и менее.