カーボングラファイトの多孔性とシール性能の関係：透過性から含浸補償設計まで

多孔率はカーボングラファイト材料の緻密化の重要な指標であり、シール部品の透過性およびシール性能に直接影響を与えます。霍邱県华豪密封件有限公司（Huahao Sealing Co., Ltd.）は長期にわたる材料研究開発の中で、多孔率とシール性能の関係を深く研究し、科学的な含浸補償設計手法を確立しました。本稿では実験データに基づき、この関係を体系的に分析します。

1. カーボングラファイトの孔の特性

1.1 孔の種類

カーボングラファイト材料の孔は以下の3種類に分類されます。

1.開孔：材料表面に連通し、透過の主な経路となる。全多孔率の60〜80％を占める。

2.閉孔：材料内部に完全に閉じており、透過に影響しない。全多孔率の15〜30％を占める。

3.貫通孔：材料を完全に貫通し、最も透過性が高い経路。全多孔率の5〜10％を占める。

1.2 孔の形成メカニズム

カーボングラファイト材料の成形・焼結・黒鉛化工程中に、骨材粒子間の空隙、バインダーピッチの揮発による孔、黒鉛化時の体積収縮が複雑な孔構造を形成します。

1.3 多孔率の測定

• 総多孔率：密度法で測定、P_total = (1 - ρ_bulk/ρ_true) × 100％
• 開孔率：吸水法または水銀圧入法で測定
• 孔径分布：水銀圧入法（MIP）または窒素吸着法（BET）で測定

2. 多孔率が透過率に与える影響

2.1 透過率の計算

透過率Kは流体の透過抵抗を示し、ダルシーの法則に従います：

Q = K · A · ΔP / (μ · L)

ここで、

• Q：体積流量（m³/s）
• K：透過率（m²）
• A：透過面積（m²）
• ΔP：圧力差（Pa）
• μ：流体の動粘度（Pa·s）
• L：透過経路長さ（m）

2.2 多孔率と透過率の関係

実験データによると、透過率は開孔率の立方関係にあります：

K = K0 × (P_open / P0)³

ここで、K0は基準透過率、P_openは開孔率、P0は基準開孔率です。

測定データ：

• 開孔率5％：透過率5×10⁻¹² m²
• 開孔率10％：透過率4×10⁻¹¹ m²
• 開孔率15％：透過率1.5×10⁻¹⁰ m²
• 開孔率20％：透過率5×10⁻¹⁰ m²

開孔率が5％から15％に上昇すると、透過率は30倍に増加します。

2.3 シールグレードと透過率

用途に応じて透過率の要求値は異なります：

• 一般液体シール：K < 10⁻¹⁴ m²
• ガスシール：K < 10⁻¹⁵ m²
• 高真空シール：K < 10⁻¹⁶ m²
• 超高真空シール：K < 10⁻¹⁷ m²

3. 含浸工程の補償効果

3.1 含浸の原理

含浸は、開放および貫通孔を充填することで有効な開放空隙率を低減し、透過率を下げます。含浸効率は以下に依存します：

• 含浸液の粘度（低いほど良い）
• 含浸圧力（高いほど良い）
• 含浸温度（粘度と濡れ性に影響）
• 保持時間（含浸深さに影響）

3.2 各種含浸工程による透過率低減効果

| 含浸工程 | 含浸前開放空隙率 | 含浸後開放空隙率 | 透過率低減倍率 |

|----------------------|------------------------------|--------------------------------|----------------------|

| フェノール樹脂 | 15% | 2-3% | 100〜500倍 |

| フラン樹脂 | 15% | 1-2% | 500〜1000倍 |

| アンチモン | 15% | <1% | 1000〜5000倍 |

| 銅 | 15% | <0.5% | 5000〜10000倍 |

| 樹脂＋樹脂＋金属（三重含浸） | 15% | <0.1% | 10000倍以上 |

3.3 含浸深さの影響

グラファイト中の含浸液の浸透深さ d = √(K·t·ΔP/μ)

• フェノール樹脂含浸（μ=0.5 Pa·s、ΔP=0.1 MPa、t=1時間）：d ≈ 5 mm
• アンチモン含浸（μ=0.003 Pa·s、ΔP=2 MPa、t=4時間）：d ≈ 15 mm

厚肉シール（15 mm超）の場合、単一含浸では完全浸透できないため、複数回含浸や予熱含浸工程が必要です。

4. 用途別推奨空隙率

4.1 一般水媒体シール

• 推奨材料：フェノール樹脂含浸グラファイト
• 開放空隙率：2〜3%
• 透過率：<10⁻¹⁴ m²
• 適用圧力：≤1.0 MPa

4.2 油媒体シール

• 推奨材料：フラン樹脂含浸グラファイト
• 開放空隙率：1〜2%
• 透過率：<5×10⁻¹⁵ m²
• 適用圧力：≤3.0 MPa

4.3 ガスシール

• 推奨材料：アンチモン含浸グラファイト
• 開放空隙率：<1%
• 透過率：<10⁻¹⁵ m²
• 適用圧力：≤10 MPa

4.4 高真空シール

• 推奨材料：三重含浸グラファイト
• 開放空隙率：<0.1%
• 透過率：<10⁻¹⁶ m²
• 適用真空度：≤1×10⁻⁶ Pa

5. 空隙率管理工程

5.1 原料選定

• 高密度骨材（密度 >2.0 g/cm³）
• 高品質コールタールピッチバインダー（残留炭率 >50%）
• 成分の粒度分布を管理し、充填密度を最適化

5.2 成形工程

• 等方圧プレス：圧力 ≥150 MPa、開放空隙率を3〜5%低減
• 金型プレス：圧力 ≥100 MPa
• 押出成形：長尺管状製品に適合

5.3 焼成工程

• 緩慢加熱：室温→800℃、加熱速度 <10℃/時
• 保持時間：800℃で24時間、揮発成分の完全除去を確保
• ピッチ含浸：焼成後にピッチ含浸し再焼成を2〜3回繰り返す

5.4 黒鉛化工程

• 温度：2500〜2800℃
• 保持時間：48〜72時間
• 黒鉛化により孔の合体・再構成が促進され、総空隙率が2〜3%低減

結論

カーボングラファイト材料の空隙率はシール性能に大きく影響する重要因子であり、適切な含浸工程により透過率を大幅に低減可能です。Huahao Sealing Co., Ltd.は、開放空隙率0.1%以下、透過率10⁻¹⁶ m²まで管理した空隙率制御カーボングラファイトシールを提供し、高真空やガスシールの要求に対応しています。シール条件に応じた最適な空隙率管理ソリューションについては、ぜひ当社技術チームまでお問い合わせください。