Что такое углеродный графит? Определение материала, производство и промышленные применения

1. Определение материала углеродного графита

Углеродный графит — это технически обработанный материал, преимущественно состоящий из углерода. Он производится из нефтяного кокса, пекового кокса или хлопьевидного графита посредством многоступенчатых высокотемпературных процессов, включая смешивание, замес, формование, обжиг (1000-1400°C) и графитизацию (2400-3000°C).

Необходимо развеять распространённое заблуждение: углеродный графит — это не природная графитовая руда. Хотя природный графит также основан на углероде, его чистота, регулярность кристаллической структуры и стабильность характеристик значительно уступают требованиям к прецизионным уплотнительным компонентам. Промышленный углеродный графит для уплотнений — это изготовленный материал с чистотой сырья выше 99%, высоко регулярной кристаллической структурой и стабильностью характеристик от партии к партии.

1.1 Различие между «графитом» и «углеродом»

В промышленной терминологии «углеродный графит» (Carbon Graphite) обычно обозначает графитизированный углеродный материал, сочетающий твёрдость углерода с самосмазывающимися свойствами графита. «Твёрдый углерод» подвергается только обжигу без графитизации, обладает большей твёрдостью, но худшей смазывающей способностью. «Уплотнительное кольцо из углеродного графита» в уплотнительной отрасли относится к графитизированному материалу, так как он обеспечивает как хорошую самосмазку, так и механическую прочность.

2. Микроструктура и физические свойства

Слоистая кристаллическая структура углеродного графита придаёт ему уникальное сочетание свойств. В кристаллах графита атомы углерода образуют гексагональные слои посредством sp²-гибридизации, с прочными ковалентными связями внутри слоёв (длина связи ~0,142 нм) и слабыми ван-дер-ваальсовыми силами между слоями (~0,335 нм расстояние). Эта структура обеспечивает углеродному графиту отличные самосмазывающиеся свойства, так как слои могут скользить друг относительно друга, что даёт коэффициент сухого трения всего 0,04-0,15.

Типичные физические свойства:

• Плотность: 1,55-1,85 г/см³ (до 1,80-2,20 г/см³ после пропитки)
• Твердость по Шору (HS): 40-90
• Прочность на сжатие: 150-340 МПа
• Прочность на изгиб: 40-100 МПа
• Теплопроводность: 70-150 Вт/(м·К) (значительно выше, чем у инженерных пластиков — 0,2-0,4 Вт/(м·К))
• Коэффициент теплового расширения: (2,5-5,0)×10⁻⁶ /°C (ниже, чем у металлов, что благоприятно для тепловой стабильности)
• Рабочая температура: выше 600°C в неокисляющей среде, до 1000°C в вакууме или инертной атмосфере

3. Производственный процесс

Производство углеродного графита — это многоступенчатый высокотемпературный процесс:

1.Подготовка сырья: кальцинация нефтяного/пекового кокса для удаления летучих веществ; отбор и очистка хлопьевидного графита

2.Смешивание и замес: замес коксового наполнителя, графитового порошка и связующего из каменноугольного пека при 140-160°C

3.Формование: прессование в штампах (небольшие партии изделий по индивидуальным формам), изостатическое прессование (изотропные изделия) или экструзия (непрерывные прутки/трубы)

4.Выпекание: медленный нагрев в бескислородной печи при 1000-1400°C, связующее пек коксуется, пористость составляет примерно 10%-20%

5.Графитизация: электрический нагрев при 2400-3000°C, преобразующий аморфный углерод в кристаллическую структуру графита

6.Модификация пропиткой: пропитка смолой или металлом заполняет поры, снижая пористость ниже 2%

7.Отделка: токарная обработка и шлифовка до заданных размеров и параметров шероховатости поверхности

4. Роль пропитки

Не пропитанный углеродный графит имеет пористость 10%-20%, что приводит к проникновению среды и утечкам, делая его непригодным для непосредственного использования в уплотнениях. Пропитка использует вакуумное давление для внедрения жидкого или расплавленного материала в поры, который затем отвердевает, герметизируя каналы утечек. Распространённые виды пропитки:

• Фенольная/фурановая смола: устойчива к кислотам и щелочам, подходит для уплотнений химических насосов и реакторов
• Эпоксидная смола: умеренная коррозионная стойкость, высокая механическая прочность
• Металл сурьмы: высокая температура (свыше 400°C) и высокая нагрузка, подходит для насосов горячего масла
• Сплав баббит: высокая грузоподъёмность для подшипников тяжелого режима работы
• PTFE: отличная химическая инертность для санитарных уплотнений пищевого и фармацевтического оборудования
• Медь/медные сплавы: улучшенная электрическая и тепловая проводимость для щёток электродвигателей

5. Основные промышленные применения

Углеродный графит широко применяется в промышленных уплотнениях и подшипниках:

• Торцевые уплотнительные кольца: в качестве мягкой поверхности в паре с карбидом кремния или твердым сплавом, используются в центробежных насосах, компрессорах и реакторах
• Графитовые втулки/подшипники: благодаря самосмазывающимся свойствам для работы без масла, погружные насосы, пищевое оборудование
• Сегментные разрезные кольца (3-сегментные/4-сегментные): для уплотнений штоков компрессоров, экспандеров и паровых турбин
• Заготовки из углеродного графита: поставляются на последующую обработку для изготовления деталей по индивидуальным размерам, снижая складские запасы заказчиков
• Специальные применения: уплотнения первичных насосов АЭС, графитовые компоненты печей для полупроводников, сухие газовые уплотнения вакуумных насосов

6. Почему углеродный графит предпочтительнее альтернатив

По сравнению с PTFE, металлическими подшипниками и керамикой углеродный графит обладает следующими преимуществами:

1.Лучшие самосмазывающиеся свойства по сравнению с металлами, не требующие внешней системы смазки

2.Более высокая термостойкость, чем у PTFE (который выдерживает до 260°C)

3.Более высокая прочность на изгиб и ударная вязкость по сравнению с керамикой (карбид кремния/корунд), менее склонен к хрупкому разрушению

4.Теплопроводность значительно выше, чем у инженерных пластиков, что способствует отводу тепла с поверхности уплотнения

5.Химическая стабильность, удовлетворяющая требованиям большинства промышленных сред

Совокупность этих свойств делает углеродный графит незаменимым материалом для уплотнений и подшипников в условиях сухого трения, высоких температур, коррозии и работы без масла.