Анализ факторов, влияющих на теплопроводность углеродных графитовых материалов: от микроструктуры до процесса пропитки

Теплопроводность является ключевым показателем способности углеродных графитовых уплотнений к отводу тепла, напрямую влияя на температуру уплотнительной поверхности, трение и износ, а также срок службы. В ходе долгосрочных исследований и разработок углеродных графитовых материалов в Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) нами систематически изучено влияние различных факторов на теплопроводность. На основе экспериментальных данных в данной статье проводится глубокий анализ микроскопических механизмов и технологических эффектов теплопроводности углеродного графита, что обеспечивает теоретическую основу для выбора уплотнений и теплового проектирования.

1. Микроскопический механизм теплопроводности углеродного графита

1.1 Кристаллическая структура и перенос тепла фононами

Углеродный графит имеет слоистую гексагональную кристаллическую структуру, в которой атомы углерода образуют прочные ковалентные связи посредством sp²-гибридизации внутри слоев, а между слоями — связи ван дер Ваальса. Теплопроводность осуществляется преимущественно за счет распространения фононов внутри слоев. Теоретическая теплопроводность графита в плоскости слоя может достигать 2000 Вт/(м·К), тогда как теплопроводность между слоями составляет всего 10-20 Вт/(м·К). Поликристаллические графитовые материалы, используемые в инженерии, имеют макроскопическую теплопроводность в диапазоне между этими значениями из-за различной ориентации зерен.

1.2 Решающее значение степени графитизации

Степень графитизации является показателем совершенства кристаллической структуры графита и определяется измерением межслойного расстояния d002 плоскости (002) методом рентгеновской дифракции. Степень графитизации G рассчитывается по формуле: G = (3,440 - d002)/(3,440 - 3,354) × 100%. Экспериментальные данные показывают:

• Графитизация 70% (d002=3,376 нм): теплопроводность 100-120 Вт/(м·К)
• Графитизация 80% (d002=3,367 нм): теплопроводность 130-150 Вт/(м·К)
• Графитизация 90% (d002=3,358 нм): теплопроводность 170-190 Вт/(м·К)

При увеличении степени графитизации на каждые 10% теплопроводность возрастает примерно на 25-35 Вт/(м·К). Именно поэтому высокотеплопроводные графитовые изделия Huahao Sealing Co., Ltd. проходят высокотемпературную графитизацию при температуре выше 2500°C.

2. Влияние пористости и объемной плотности

2.1 Обратная зависимость между пористостью и теплопроводностью

Материалы из углеродного графита содержат большое количество пор (открытых и закрытых), заполненных воздухом (теплопроводность 0,026 Вт/(м·К)), который является основным сопротивлением теплопередаче. Экспериментальные данные показывают:

• Пористость 10% (плотность 1,85 г/см³): теплопроводность 150 Вт/(м·К)
• Пористость 15% (плотность 1,75 г/см³): теплопроводность 120 Вт/(м·К)
• Пористость 20% (плотность 1,65 г/см³): теплопроводность 90 Вт/(м·К)
• Пористость 25% (плотность 1,55 г/см³): теплопроводность 70 Вт/(м·К)

2.2 Улучшение теплопроводности за счет пропитки

Процессы пропитки улучшают теплопроводность за счет заполнения пор. Различные пропиточные материалы оказывают существенно разный эффект:

• Пропитка сурьмой (металлическая пропитка): теплопроводность увеличивается с 80 Вт/(м·К) до 110 Вт/(м·К), рост около 38%
• Пропитка медью (металлическая пропитка): теплопроводность увеличивается с 80 Вт/(м·К) до 140 Вт/(м·К), рост около 75%
• Пропитка фенольной смолой: теплопроводность снижается с 80 Вт/(м·К) до 65 Вт/(м·К), падение около 19% (теплопроводность смолы всего 0,2 Вт/(м·К))
• Пропитка PTFE: теплопроводность снижается с 80 Вт/(м·К) до 55 Вт/(м·К), падение около 31%

3. Влияние размера зерна и температуры

3.1 Влияние размера зерна

Больший размер зерен графита приводит к меньшему рассеянию на границах зерен и более высокой теплопроводности. Графит, изготовленный из игольчатого кокса, имеет более крупные зерна (Lc=50-100 нм) и теплопроводность 150-200 Вт/(м·К), тогда как графит из обычного нефтяного кокса имеет более мелкие зерна (Lc=20-40 нм) и теплопроводность всего 70-100 Вт/(м·К).

3.2 Зависимость от температуры

Теплопроводность углеродного графита изменяется с температурой не монотонно:

• Комнатная температура (25℃): 120 Вт/(м·К)
• 200℃: 100 Вт/(м·К)
• 400℃: 80 Вт/(м·К)
• 600℃: 60 Вт/(м·К)
• 800℃: 50 Вт/(м·К)
• 1000℃: 45 Вт/(м·К)

С повышением температуры усиливается рассеяние фононов, и теплопроводность снижается. Однако в применении для торцевых уплотнений, поскольку трение концентрирует тепло на уплотнительной поверхности, а рабочая температура обычно не превышает 400℃, теплопроводность может сохраняться выше 80 Вт/(м·К), обеспечивая достаточный отвод тепла.

4. Анизотропные характеристики

4.1 Различия между параллельным и перпендикулярным направлениями

Материалы из углеродного графита демонстрируют значительные различия в теплопроводности между направлением прессования (параллельно направлению формовочного давления) и перпендикулярным направлением. Формованный графит имеет коэффициент анизотропии около 1,5:1, тогда как изостатически прессованный графит — всего около 1,1:1, что ближе к изотропному состоянию.

4.2 Рекомендации для инженерного применения

Для компонентов, требующих радиального отвода тепла, таких как уплотнительные кольца, следует выбирать изостатически прессованный графит (изотропный); для компонентов, требующих осевой электрической и тепловой проводимости, таких как щетки, можно использовать формованный графит (анизотропный).

Заключение

Теплопроводность материалов из углеродного графита комплексно зависит от множества факторов, включая степень графитизации, пористость, процесс пропитки, размер зерен, температуру и анизотропию. Продукция Huahao Sealing Co., Ltd. с высокой теплопроводностью на основе графита с медной пропиткой (серия HCu) достигает теплопроводности выше 140 Вт/(м·К), что особенно подходит для уплотнений с высокой скоростью и большими нагрузками. Для технической поддержки при подборе материалов, пожалуйста, свяжитесь с нашей инженерной командой — мы предоставим рекомендации на основе измеренных данных.