- ▸Пористость углеродного графита варьируется от 8 до 25 %; открытая пористость является ключевым фактором, влияющим на герметичность, при этом проницаемость растёт кубически — при увеличении открытой пористости с 5 % до 15 % проницаемость возрастает в 8 раз.
- ▸Газовая герметизация требует проницаемости менее 10⁻⁶ см²/с, что соответствует открытой пористости менее 5 %; жидкостная герметизация требует проницаемости менее 10⁻⁵ см²/с, что соответствует открытой пористости менее 8 %.
- ▸Процессы пропитки могут снизить открытую пористость с 15 % до менее 1 %, уменьшая проницаемость на 3–4 порядка; после пропитки сурьмой газовая проницаемость составляет менее 10⁻⁹ см²/с.
- ▸Вакуумное уплотнение и условия высокого вакуума требуют тройной пропитки (смола + смола + металл), при которой проницаемость достигает 10⁻¹⁰ см²/с, что соответствует требованиям по утечке 1×10⁻⁸ Па·м³/с.
Пористость является важным показателем уплотнения материалов из углеродного графита, напрямую влияющим на проницаемость и герметичность уплотнительных компонентов. В ходе долгосрочных исследований материалов Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) глубоко изучила взаимосвязь между пористостью и герметичностью, разработав научные методы компенсационного проектирования пропитки. На основе экспериментальных данных в данной статье систематически анализируется эта взаимосвязь.
1. Характеристики пор углеродного графита
1.1 Типы пор
Поры в материалах из углеродного графита классифицируются на три типа:
1.Открытые поры: соединены с поверхностью материала, являются основными каналами для проникновения. Составляют 60–80 % от общей пористости.
2.Закрытые поры: полностью замкнуты внутри материала, не влияют на проницаемость. Составляют 15–30 % от общей пористости.
3.Сквозные поры: полностью пронизывают материал, являются наиболее серьёзными каналами для проникновения. Составляют 5–10 % от общей пористости.
1.2 Механизм образования пор
В процессе прессования, обжига и графитизации материалов из углеродного графита пустоты образуются между частицами агрегата, поры формируются за счёт испарения летучих веществ связующего пека, а также происходит усадка объёма при графитизации, что вместе формирует сложную пористую структуру.
1.3 Измерение пористости
- Общая пористость: измеряется методом определения плотности, P_total = (1 - ρ_bulk/ρ_true) × 100%
- Открытая пористость: измеряется методом водопоглощения или проникновения ртути
- Распределение размеров пор: измеряется порозиметрией с проникновением ртути (MIP) или адсорбцией азота (BET)
2. Влияние пористости на проницаемость
2.1 Расчёт проницаемости
Проницаемость K отражает сопротивление материала проникновению жидкости, согласно закону Дарси:
Q = K · A · ΔP / (μ · L)
Где:
- Q: объёмный расход (м³/с)
- K: проницаемость (м²)
- A: площадь проникновения (м²)
- ΔP: перепад давления (Па)
- μ: динамическая вязкость жидкости (Па·с)
- L: длина пути проникновения (м)
2.2 Взаимосвязь между пористостью и проницаемостью
Экспериментальные данные показывают, что проницаемость имеет кубическую зависимость от открытой пористости:
K = K0 × (P_open / P0)³
Где K0 — эталонная проницаемость, P_open — открытая пористость, P0 — эталонная открытая пористость.
Измеренные данные:
- Открытая пористость 5 %: проницаемость 5×10⁻¹² м²
- Открытая пористость 10 %: проницаемость 4×10⁻¹¹ м²
- Открытая пористость 15 %: проницаемость 1.5×10⁻¹⁰ м²
- Открытая пористость 20 %: проницаемость 5×10⁻¹⁰ м²
При увеличении открытой пористости с 5 % до 15 % проницаемость возрастает в 30 раз.
2.3 Классы герметичности и проницаемость
Для различных условий герметизации предъявляются разные требования к проницаемости:
- Общая жидкостная герметизация: K < 10⁻¹⁴ м²
- Газовая герметизация: K < 10⁻¹⁵ м²
- Герметизация высокого вакуума: K < 10⁻¹⁶ м²
- Герметизация ультравысокого вакуума: K < 10⁻¹⁷ м²
3. Компенсационный эффект процессов пропитки
3.1 Принцип пропитки
Пропитка снижает эффективную открытую пористость за счёт заполнения открытых и сквозных пор, тем самым уменьшая проницаемость. Эффективность пропитки зависит от:
- вязкости пропиточного состава (чем ниже, тем лучше)
- давления пропитки (чем выше, тем лучше)
- температуры пропитки (влияет на вязкость и смачиваемость)
- времени выдержки (влияет на глубину пропитки)
3.2 Эффекты снижения проницаемости при различных процессах пропитки
| Процесс пропитки | Открытая пористость до пропитки | Открытая пористость после пропитки | Снижение проницаемости |
|------------------|---------------------------------|-----------------------------------|------------------------|
| Фенольная смола | 15% | 2-3% | 100-500 раз |
| Фурановая смола | 15% | 1-2% | 500-1000 раз |
| Сурьма | 15% | <1% | 1000-5000 раз |
| Медь | 15% | <0,5% | 5000-10000 раз |
| Смола + смола + металл (тройная) | 15% | <0,1% | >10000 раз |
3.3 Влияние глубины пропитки
Глубина проникновения пропиточного состава в графит d = √(K·t·ΔP/μ)
- Пропитка фенольной смолой (μ=0,5 Па·с, ΔP=0,1 МПа, t=1 час): d≈5 мм
- Пропитка сурьмой (μ=0,003 Па·с, ΔP=2 МПа, t=4 часа): d≈15 мм
Для уплотнительных колец с толстыми стенками (>15 мм) однократная пропитка не обеспечивает полного проникновения; необходимы многократная пропитка или пропитка с предварительным нагревом.
4. Рекомендуемая пористость для различных условий уплотнения
4.1 Уплотнение обычных водных сред
- Рекомендуемый материал: графит с пропиткой фенольной смолой
- Открытая пористость: 2-3%
- Проницаемость: <10⁻¹⁴ м²
- Рабочее давление: ≤1,0 МПа
4.2 Уплотнение масляных сред
- Рекомендуемый материал: графит с пропиткой фурановой смолой
- Открытая пористость: 1-2%
- Проницаемость: <5×10⁻¹⁵ м²
- Рабочее давление: ≤3,0 МПа
4.3 Газовое уплотнение
- Рекомендуемый материал: графит с пропиткой сурьмой
- Открытая пористость: <1%
- Проницаемость: <10⁻¹⁵ м²
- Рабочее давление: ≤10 МПа
4.4 Высоковакуумное уплотнение
- Рекомендуемый материал: графит с тройной пропиткой
- Открытая пористость: <0,1%
- Проницаемость: <10⁻¹⁶ м²
- Рабочий вакуум: ≤1×10⁻⁶ Па
5. Процессы контроля пористости
5.1 Выбор сырья
- Высокоплотный заполнитель (плотность >2,0 г/см³)
- Высококачественный связующий из каменноугольной смолы (остаток углерода >50%)
- Контроль распределения размеров частиц компонентов, оптимизация плотности упаковки
5.2 Процесс формования
- Изостатическое прессование: давление ≥150 МПа, снижение открытой пористости на 3-5%
- Прессование в форме: давление ≥100 МПа
- Экструзия: подходит для длинных трубчатых изделий
5.3 Процесс обжига
- Медленный нагрев: от комнатной температуры до 800°C, скорость нагрева <10°C/ч
- Выдержка: при 800°C в течение 24 часов для полного удаления летучих веществ
- Пропитка смолой: после обжига, пропитка смолой с последующим повторным обжигом, цикл 2-3 раза
5.4 Процесс графитизации
- Температура: 2500-2800°C
- Выдержка: 48-72 часа
- Графитизация способствует слиянию и перестройке пор, общая пористость снижается на 2-3%
Заключение
Пористость углеродных графитовых материалов является ключевым фактором, влияющим на характеристики уплотнения, и правильные процессы пропитки значительно снижают проницаемость. Huahao Sealing Co., Ltd. поставляет уплотнительные кольца из углеродного графита с контролируемой пористостью, достигающей минимальной открытой пористости до 0,1% и проницаемости до 10⁻¹⁶ м², что соответствует требованиям высоковакуумного и газового уплотнения. Пожалуйста, свяжитесь с нашей технической командой — мы предоставим оптимальное решение по контролю пористости, исходя из ваших условий уплотнения.