การวิเคราะห์ปัจจัยที่มีผลต่อการนำความร้อนของวัสดุคาร์บอนกราไฟต์: จากโครงสร้างจุลภาคถึงกระบวนการอัดซึม

การนำความร้อนเป็นตัวชี้วัดสำคัญของความสามารถในการระบายความร้อนของแหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่ออุณหภูมิผิวหน้าแหวนซีล, การเสียดสีและการสึกหรอ รวมถึงอายุการใช้งาน ในงานวิจัยและพัฒนาวัสดุคาร์บอนกราไฟต์ระยะยาวของ Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) เราได้ศึกษาผลกระทบของปัจจัยต่าง ๆ ต่อการนำความร้อนอย่างเป็นระบบ บทความนี้วิเคราะห์อย่างลึกซึ้งถึงกลไกระดับจุลภาคและผลกระทบของกระบวนการต่อการนำความร้อนของคาร์บอนกราไฟต์ โดยให้ฐานความรู้ทางทฤษฎีสำหรับการเลือกแหวนซีลและการออกแบบระบบความร้อน

1. กลไกระดับจุลภาคของการนำความร้อนในคาร์บอนกราไฟต์

1.1 โครงสร้างผลึกและการถ่ายเทความร้อนโดยโฟนอน

คาร์บอนกราไฟต์มีโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยมแบบชั้น ๆ โดยอะตอมคาร์บอนจะเชื่อมโยงกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรงผ่านการไฮบริด sp² ภายในชั้น และมีพันธะแวนเดอร์วาลส์ระหว่างชั้น การนำความร้อนส่วนใหญ่เกิดจากการแพร่กระจายของโฟนอนภายในชั้น การนำความร้อนในชั้นของกราไฟต์ทางทฤษฎีสามารถสูงถึง 2000 W/(m·K) ขณะที่การนำความร้อนระหว่างชั้นมีเพียง 10-20 W/(m·K) วัสดุกราไฟต์แบบพอลิคริสตัลไลน์ที่ใช้ในงานวิศวกรรมมีการนำความร้อนในระดับมหภาคอยู่ระหว่างค่านี้ เนื่องจากทิศทางของเมล็ดผลึกที่แตกต่างกัน

1.2 บทบาทสำคัญของระดับการทำให้เป็นแกรไฟต์

ระดับการทำให้เป็นแกรไฟต์เป็นตัวชี้วัดความสมบูรณ์ของโครงสร้างผลึกกราไฟต์ โดยวัดจากระยะห่างระหว่างชั้น (002) d002 ด้วยการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ระดับการทำให้เป็นแกรไฟต์ G = (3.440 - d002)/(3.440 - 3.354) × 100% ข้อมูลจากการทดลองแสดงว่า:

• ระดับการทำให้เป็นแกรไฟต์ 70% (d002=3.376 nm): การนำความร้อน 100-120 W/(m·K)
• ระดับการทำให้เป็นแกรไฟต์ 80% (d002=3.367 nm): การนำความร้อน 130-150 W/(m·K)
• ระดับการทำให้เป็นแกรไฟต์ 90% (d002=3.358 nm): การนำความร้อน 170-190 W/(m·K)

ทุกการเพิ่มขึ้นของระดับการทำให้เป็นแกรไฟต์ 10% จะทำให้การนำความร้อนเพิ่มขึ้นประมาณ 25-35 W/(m·K) นี่คือเหตุผลที่ผลิตภัณฑ์กราไฟต์ที่มีการนำความร้อนสูงของ Huahao Sealing Co., Ltd. ต้องผ่านกระบวนการทำให้เป็นแกรไฟต์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 2500℃

2. อิทธิพลของความพรุนและความหนาแน่นโดยรวม

2.1 ความสัมพันธ์ผกผันระหว่างความพรุนกับการนำความร้อน

วัสดุคาร์บอนกราไฟต์มีจำนวนรูพรุนมากมาย (ทั้งแบบเปิดและปิด) ซึ่งเต็มไปด้วยอากาศ (การนำความร้อน 0.026 W/m·K) ซึ่งเป็นตัวต้านทานหลักต่อการนำความร้อน ข้อมูลจากการทดลองแสดงว่า:

• ความพรุน 10% (ความหนาแน่น 1.85 g/cm³): การนำความร้อน 150 W/(m·K)
• ความพรุน 15% (ความหนาแน่น 1.75 g/cm³): การนำความร้อน 120 W/(m·K)
• ความพรุน 20% (ความหนาแน่น 1.65 g/cm³): การนำความร้อน 90 W/(m·K)
• ความพรุน 25% (ความหนาแน่น 1.55 g/cm³): การนำความร้อน 70 W/(m·K)

2.2 การปรับปรุงการนำความร้อนด้วยการอัดซึม

กระบวนการอัดซึมช่วยเพิ่มการนำความร้อนโดยการเติมเต็มรูพรุน ตัวอัดซึมแต่ละชนิดมีผลแตกต่างกันอย่างมาก:

• การอัดซึมด้วยแอนติโมนี (โลหะ): การนำความร้อนเพิ่มจาก 80 W/(m·K) เป็น 110 W/(m·K) เพิ่มขึ้นประมาณ 38%
• การอัดซึมด้วยทองแดง (โลหะ): การนำความร้อนเพิ่มจาก 80 W/(m·K) เป็น 140 W/(m·K) เพิ่มขึ้นประมาณ 75%
• การอัดซึมด้วยเรซินฟีนอลิก: การนำความร้อนลดจาก 80 W/(m·K) เป็น 65 W/(m·K) ลดลงประมาณ 19% (การนำความร้อนของเรซินเพียง 0.2 W/m·K)
• การอัดซึมด้วย PTFE: การนำความร้อนลดจาก 80 W/(m·K) เป็น 55 W/(m·K) ลดลงประมาณ 31%

3. ผลของขนาดเม็ดและอุณหภูมิ

3.1 ผลของขนาดเม็ด

ขนาดเม็ดกราไฟต์ที่ใหญ่ขึ้นทำให้การกระเจิงที่ขอบเม็ดลดลงและการนำความร้อนสูงขึ้น กราไฟต์ที่เตรียมจากเขม่ารูปเข็มมีขนาดเม็ดใหญ่กว่า (Lc=50-100 nm) โดยมีการนำความร้อน 150-200 W/(m·K) ขณะที่กราไฟต์จากเขม่าน้ำมันปกติมีขนาดเม็ดเล็กกว่า (Lc=20-40 nm) โดยมีการนำความร้อนเพียง 70-100 W/(m·K)

3.2 ความขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

การนำความร้อนของคาร์บอนกราไฟต์เปลี่ยนแปลงไม่เป็นเส้นตรงตามอุณหภูมิ:

• อุณหภูมิห้อง (25℃): 120 W/(m·K)
• 200℃: 100 W/(m·K)
• 400℃: 80 W/(m·K)
• 600℃: 60 W/(m·K)
• 800℃: 50 W/(m·K)
• 1000℃: 45 W/(m·K)

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การกระเจิงโฟนอนจะรุนแรงขึ้นและการนำความร้อนลดลง อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานซีลกล เนื่องจากความร้อนจากแรงเสียดทานจะรวมตัวที่ผิวหน้าแหวนซีลและอุณหภูมิการทำงานโดยทั่วไปไม่เกิน 400℃ การนำความร้อนจึงยังคงสูงกว่า 80 W/(m·K) ซึ่งเพียงพอสำหรับการระบายความร้อน

4. ลักษณะไม่สมมาตร

4.1 ความแตกต่างระหว่างทิศทางขนานและตั้งฉาก

วัสดุคาร์บอนกราไฟต์แสดงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในด้านการนำความร้อนระหว่างทิศทางการกด (ขนานกับทิศทางแรงกดขึ้นรูป) กับทิศทางตั้งฉาก กราไฟต์ที่ขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์มีอัตราส่วนความไม่สมมาตรประมาณ 1.5:1 ขณะที่กราไฟต์ที่กดด้วยแรงดันไอโซสแตติกมีอัตราส่วนความไม่สมมาตรเพียง 1.1:1 ซึ่งใกล้เคียงกับสมมาตรมากกว่า

4.2 คำแนะนำสำหรับการใช้งานทางวิศวกรรม

สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการการระบายความร้อนในแนวรัศมี เช่น แหวนซีล ควรเลือกใช้กราไฟต์ที่กดด้วยแรงดันไอโซสแตติก (สมมาตร) ส่วนชิ้นส่วนที่ต้องการการนำไฟฟ้าและความร้อนในแนวแกน เช่น แปรงถ่าน สามารถใช้กราไฟต์ที่ขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ (ไม่สมมาตร) ได้

สรุป

การนำความร้อนของวัสดุคาร์บอนกราไฟต์ได้รับอิทธิพลอย่างครอบคลุมจากหลายปัจจัย ได้แก่ ระดับการทำให้เป็นแกรไฟต์ ความพรุน กระบวนการอัดซึม ขนาดเม็ด อุณหภูมิ และความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในทิศทางต่างๆ ผลิตภัณฑ์กราไฟต์อัดซึมด้วยทองแดงที่มีการนำความร้อนสูงของ Huahao Sealing Co., Ltd. (ชุด HCu) สามารถทำให้การนำความร้อนสูงกว่า 140 W/(m·K) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานซีลที่มีความเร็วสูงและรับภาระหนัก สำหรับการสนับสนุนการเลือกใช้ทางเทคนิค กรุณาติดต่อทีมวิศวกรของเรา — เราจะให้คำแนะนำวัสดุโดยอ้างอิงจากข้อมูลที่วัดได้