نمد گرافیت مبتنی بر ویسکوز: خواص، ساخت و کاربردها

چیست نمد گرافیتی مبتنی بر ویسکوز ?

نمد گرافیت مبتنی بر ویسکوز یک ماده کربنی با کارایی بالا است که با کربن کردن و گرافیتیزه کردن پیش سازهای الیاف ویسکوز (ریون) در دماهای معمولاً از 1800 درجه سانتیگراد تا 3000 درجه سانتیگراد تولید می شود. نتیجه یک نمد انعطاف پذیر و کم چگالی با ساختار گرافیتی منظم است که رسانایی حرارتی و الکتریکی استثنایی را ارائه می دهد. بر خلاف انواع مبتنی بر PAN (پلی اکریلونیتریل)، پیش سازهای ویسکوز نمدی نرم تر و انعطاف پذیرتر با درجه گرافیتیزه شدن بالاتری تولید می کنند که آن را به انتخاب ارجح برای کاربردهایی تبدیل می کند که انعطاف پذیری و راندمان حرارتی هر دو حیاتی هستند.

این ماده معماری فیبری پیش ساز نساجی اصلی را در طول فرآیند تصفیه در دمای بالا حفظ می کند و در نتیجه یک شبکه متخلخل و سه بعدی از الیاف گرافیت ایجاد می کند. این ساختار چیزی است که به گرافیت مبتنی بر ویسکوز ترکیب مشخصی از خواص را می دهد: جرم حرارتی کم، رسانایی حرارتی بالا، بی اثری شیمیایی و انعطاف پذیری مکانیکی در دماهای شدید.

ویژگی های کلیدی و ویژگی های عملکرد

مشخصات عملکرد نمد گرافیتی مبتنی بر ویسکوز توسط شیمی پیش ساز و شرایط پردازش آن تعیین می شود. چندین ویژگی آن را از سایر مواد عایق حرارتی و الکترود متمایز می کند:

• هدایت حرارتی: محدوده بین 4 تا 10 W/m·K بسته به تراز فیبر و درجه گرافیتی شدن، امکان توزیع موثر گرما در سطوح بزرگ را فراهم می کند.
• دمای عملیاتی: پایدار تا 3000 درجه سانتیگراد در اتمسفرهای بی اثر یا خلاء، با شروع اکسیداسیون در هوا معمولاً بالای 450 درجه سانتیگراد.
• چگالی ظاهری: معمولاً 0.05-0.20 g/cm³، که به جرم حرارتی کم و عملکرد چرخه حرارت سریع کمک می کند.
• تخلخل: 85-95٪، خیس کردن الکترولیت عالی در کاربردهای الکتروشیمیایی و نفوذپذیری گاز در پیل‌های سوختی را ممکن می‌سازد.
• مقاومت شیمیایی: نسبت به اکثر اسیدها، قلیایی ها و حلال های آلی تحت شرایط غیر اکسید کننده بی اثر است.
• هدایت الکتریکی: 50-200 S/cm بسته به دمای گرافیتیزاسیون، مناسب برای کاربردهای الکترود و کلکتور جریان.

در مقایسه با نمد گرافیتی مبتنی بر PAN، مواد مبتنی بر ویسکوز به طور کلی نشان می‌دهند. نرمی و پارگی عالی ، که آسیب حمل را در حین نصب در هندسه های تنگ کاهش می دهد. مدول الاستیسیته پایین‌تر آن نیز باعث می‌شود که تحت بارگذاری فشاری در مجموعه‌های پشته‌ای بهتر باشد.

فرآیند تولید: از ریون تا گرافیت

تولید نمد گرافیتی مبتنی بر ویسکوز از یک توالی تبدیل حرارتی کاملاً تعریف شده پیروی می کند و شرایط در هر مرحله مستقیماً خواص ماده نهایی را تعیین می کند.

تثبیت و پیش اکسیداسیون

نمد الیاف مصنوعی ویسکوز برای اولین بار تحت یک عملیات تثبیت کننده در هوا در دمای 200-400 درجه سانتیگراد قرار می گیرد. این مرحله با حذف رطوبت، شروع واکنش‌های کم‌آبی، و تشکیل ساختار ذغالی که در مراحل بعدی دمای بالا بدون ذوب یا ذوب زنده می‌ماند، پیش‌ساز مبتنی بر سلولز را به یک واسطه گرمایی پایدار تبدیل می‌کند.

کربنیزاسیون

سپس نمد تثبیت شده در دمای بین 800 درجه سانتیگراد تا 1500 درجه سانتیگراد در یک اتمسفر بی اثر (معمولاً نیتروژن یا آرگون) کربنیزه می شود. در طول این مرحله، عناصر غیر کربنی – عمدتاً هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن – به صورت گاز خارج می‌شوند و یک اسکلت کربنی با ساختار توربواستراتتیک (گرافیتی نامرتب) باقی می‌مانند. بازده کربن از پیش سازهای ویسکوز به طور معمول است 20 تا 30 درصد وزنی ، پایین تر از مسیرهای مبتنی بر PAN است که بر مدل سازی هزینه برای تولید در مقیاس بزرگ تأثیر می گذارد.

گرافیت سازی

آخرین و پر انرژی ترین مرحله شامل گرم کردن نمد کربن دار تا 2000 تا 3000 درجه سانتیگراد در کوره خلاء یا اتمسفر بی اثر است. در این دماها، کربن نامنظم به ساختار کریستالی گرافیت لایه‌ای به خوبی مرتب می‌شود (کربن هیبرید شده sp²). درجه گرافیتی شدن - با فاصله بین لایه‌ای d002 که به 0.3354 نانومتر ایده‌آل نزدیک می‌شود - به طور مستقیم بر هدایت الکتریکی و گرمایی حاکم است. دمای گرافیتی شدن بالاتر مقاومت کمتر و رسانایی بالاتری را به همراه دارد اما نیاز به انرژی ورودی بیشتری دارد.

کاربردهای اولیه در سراسر صنایع

نمد گرافیت مبتنی بر ویسکوز در هر جایی که پایداری در دمای بالا، فعالیت الکتروشیمیایی و مدیریت حرارتی باید وجود داشته باشد کاربرد پیدا می کند. بخش‌های زیر نشان‌دهنده مهم‌ترین و رو به رشد‌ترین حوزه‌های تقاضای آن است.

باتری های جریان ردوکس وانادیوم (VRFB)

در سیستم های ذخیره انرژی در مقیاس شبکه VRFB، نمد گرافیتی به عنوان ماده الکترودی عمل می کند که از طریق آن الکترولیت جریان می یابد و واکنش های الکتروشیمیایی رخ می دهد. نمد مبتنی بر ویسکوز برای آن مورد علاقه است تخلخل بالا (تضمین مقاومت در برابر جریان کم)، هدایت الکتریکی کافی و عملکرد پایدار در محیط الکترولیت وانادیوم به شدت اسیدی . نمد عملیات حرارتی شده (در دمای 400 تا 600 درجه سانتیگراد در هوا برای فعال سازی سطح) گروه های عاملی حاوی اکسیژن را افزایش می دهد و ترشوندگی و سینتیک واکنش را بهبود می بخشد. همانطور که استقرار جهانی سیستم‌های VRFB برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر تسریع می‌شود، پیش‌بینی می‌شود که تقاضا برای الکترودهای نمدی گرافیت با کیفیت بالا تا سال 2030 رشد قابل‌توجهی داشته باشد.

عایق حرارتی با دمای بالا

در کوره های خلاء، تجهیزات تف جوشی پرس داغ و سیستم های رشد کریستال (به عنوان مثال، کشنده شمش سیلیکون Czochralski)، نمد گرافیتی به عنوان پوشش عایق حرارتی استفاده می شود. آن هدایت حرارتی کم در دماهای بالا، حداقل خروج گاز و توانایی حفظ یکپارچگی ساختاری در دمای 2500 درجه سانتی گراد آن را نسبت به جایگزین های الیاف سرامیکی در این محیط ها برتری می دهد. کاربردهای معمولی عبارتند از عایق منطقه داغ در کوره های کریستال یاقوت کبود، راکتورهای رشد کریستال SiC و کوره های پخت اجزای هوافضا.

سلول های سوختی و فناوری های هیدروژنی

در معماری‌های خاصی از غشای تبادل پروتون (PEM) و پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)، نمد گرافیتی به عنوان لایه‌های انتشار گاز یا جمع‌کننده‌های جریان استفاده می‌شود. تخلخل کنترل شده نمد مبتنی بر ویسکوز از توزیع یکنواخت گاز واکنش دهنده در سراسر سطح الکترود پشتیبانی می کند، در حالی که هدایت الکتریکی جمع آوری جریان کارآمد را تضمین می کند. توسعه مداوم در خودروهای پیل سوختی هیدروژنی و سیستم‌های قدرت ثابت همچنان به بهبود مواد در این بخش ادامه می‌دهد.

پریفرم های کامپوزیت کربن-کربن

نمد گرافیت به عنوان یک پیش ساز یا تشک تقویت کننده در تولید کامپوزیت C/C عمل می کند، جایی که با ماتریس کربن از طریق نفوذ شیمیایی بخار (CVI) یا اشباع رزین مایع نفوذ می کند. کامپوزیت‌های حاصل در دیسک‌های ترمز هوافضا، پوشش‌های نازل موشک و سیستم‌های حفاظت حرارتی وسایل نقلیه با ورود مجدد استفاده می‌شوند – کاربردهایی که نیاز به موادی دارند. حفظ استحکام مکانیکی بالای 2000 درجه سانتیگراد .

انتخاب درجه مناسب: ضخامت، تراکم، و سطح درمان

همه نمدهای گرافیت مبتنی بر ویسکوز در همه کاربردها به یک اندازه عمل نمی کنند. تصمیمات تدارکاتی باید چندین پارامتر وابسته به هم را در نظر بگیرند:

• ضخامت: ضخامت های تجاری استاندارد از 3 میلی متر تا 20 میلی متر متغیر است. نمدهای ضخیم تر مقاومت حرارتی بیشتری را ایجاد می کنند. در پشته های باتری جریانی که در آن نسبت تراکم و ابعاد پشته به شدت محدود است، درجه های نازک تر ترجیح داده می شوند.
• چگالی ظاهری: چگالی کمتر (0.05-0.10 g/cm³) عملکرد عایق و نفوذپذیری الکترولیت را به حداکثر می رساند. چگالی بالاتر (0.15-0.20 g/cm³) یکپارچگی مکانیکی و هدایت تماس الکتریکی را بهبود می بخشد.
• گرافیت سازی temperature: مواد گرافیت شده در 2800 درجه سانتیگراد بهترین رسانایی را ارائه می دهند. مواد پردازش شده در دمای 2000 تا 2200 درجه سانتیگراد برای کاربردهای عایق با هزینه کمتر کافی است.
• فعال سازی سطحی: برای الکترودهای باتری، گریدهای عملیات حرارتی یا اسیدی (HNO3، H2SO4) آب دوستی و چگالی محل فعال را افزایش می دهند و به طور مستقیم چگالی جریان و کارایی سلول را بهبود می بخشند.
• محتوای خاکستر: نمرات با خلوص بالا (محتوای خاکستر <100 ppm) برای کاربردهای رشد کریستال های نیمه هادی و خورشیدی برای جلوگیری از آلودگی کریستال های رشد یافته مورد نیاز است.

هنگام مشخص کردن برنامه های VRFB، همیشه اطلاعات را در درخواست کنید سطح BET، مقاومت الکتریکی (از طریق صفحه و داخل صفحه)، و رفتار فشرده سازی تحت فشار پشته مربوطه، زیرا این پارامترها به طور مستقیم عملکرد سلول را پیش بینی می کنند.

ملاحظات نگهداری، نگهداری و نصب

نمد گرافیت نسبت به حجم ظاهری خود از نظر مکانیکی شکننده است - تک تک الیاف شکننده هستند و در صورت خم شدن شدید یا ساییده شدن شکسته می شوند. جابجایی مناسب باعث افزایش طول عمر و حفظ عملکرد مواد می شود:

• در بسته بندی در بسته به دور از رطوبت نگهداری شود. آب جذب شده می تواند باعث آسیب فیبر بخار در طول استفاده اولیه در دمای بالا شود.
• در حین نصب از شعاع خمشی تیز زیر 50 میلی متر اجتناب کنید. هنگام ایجاد آسترهای عایق خمیده از سنبه های صاف استفاده کنید.
• در مونتاژ پشته باتری جریان، فشرده سازی یکنواخت (معمولاً 10 تا 30 درصد ضخامت اصلی) را اعمال کنید تا از تماس الکتریکی خوب بدون افزایش مقاومت جریان بیش از حد اطمینان حاصل کنید.
• برای عایق کاری کوره، اتصالات پنل نمدی را حداقل 50 میلی متر بر روی هم قرار دهید و اتصالات بین لایه ها را به هم بزنید تا مسیرهای اتصال کوتاه حرارتی را حذف کنید.
• گرد و غبار گرافیت ریز رها شده در حین برش رسانا است و باید با استخراج خلاء مدیریت شود تا از آلودگی تجهیزات الکتریکی در مجاورت جلوگیری شود.