- ▸Độ dẫn nhiệt của than chì carbon dao động từ 70-200 W/(m·K), gấp 300-800 lần so với PTFE (0,24 W/m·K) và gấp 5-10 lần so với thép không gỉ (15-20 W/m·K)
- ▸Mỗi lần tăng 10% độ graphit hóa làm tăng độ dẫn nhiệt khoảng 25-35 W/(m·K); vật liệu graphit hóa ở 2500℃ có thể đạt 180-200 W/(m·K)
- ▸Tăng mật độ khối từ 1,60 g/cm³ lên 1,85 g/cm³ làm tăng độ dẫn nhiệt từ 75 W/(m·K) lên 150 W/(m·K), thể hiện mối quan hệ dương phi tuyến
- ▸Than chì ngâm tẩm antimon có độ dẫn nhiệt khoảng 80-110 W/(m·K), ngâm tẩm đồng lên đến 120-160 W/(m·K), trong khi than chì ngâm tẩm nhựa có độ dẫn nhiệt thấp nhất chỉ 50-70 W/(m·K)
Độ dẫn nhiệt là chỉ số then chốt thể hiện khả năng tản nhiệt của các vòng đệm than chì carbon, ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ mặt đệm, ma sát và mài mòn, cũng như tuổi thọ sử dụng. Trong quá trình nghiên cứu và phát triển vật liệu than chì carbon lâu dài tại Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司), chúng tôi đã nghiên cứu có hệ thống ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến độ dẫn nhiệt. Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, bài viết này phân tích sâu sắc cơ chế vi mô và ảnh hưởng của quy trình đến độ dẫn nhiệt của than chì carbon, cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc lựa chọn vòng đệm và thiết kế nhiệt.
1. Cơ chế vi mô của độ dẫn nhiệt than chì carbon
1.1 Cấu trúc tinh thể và truyền nhiệt qua phonon
Than chì carbon có cấu trúc tinh thể lục giác xếp lớp, trong đó các nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ qua lai hóa sp² trong từng lớp, còn giữa các lớp là liên kết van der Waals. Việc dẫn nhiệt chủ yếu thực hiện qua sự truyền phonon trong các lớp. Độ dẫn nhiệt lý thuyết trong lớp của graphite có thể đạt tới 2000 W/(m·K), trong khi độ dẫn nhiệt giữa các lớp chỉ khoảng 10-20 W/(m·K). Vật liệu graphite đa tinh thể sử dụng trong kỹ thuật có độ dẫn nhiệt vĩ mô nằm giữa hai giá trị này do hướng hạt khác nhau.
1.2 Vai trò quyết định của độ graphit hóa
Độ graphit hóa là chỉ số thể hiện mức độ hoàn chỉnh của cấu trúc tinh thể graphite, được đặc trưng bằng cách đo khoảng cách liên lớp d002 trên mặt phẳng (002) qua phương pháp nhiễu xạ tia X. Độ graphit hóa G = (3,440 - d002)/(3,440 - 3,354) × 100%. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy:
- Graphit hóa 70% (d002=3,376 nm): độ dẫn nhiệt 100-120 W/(m·K)
- Graphit hóa 80% (d002=3,367 nm): độ dẫn nhiệt 130-150 W/(m·K)
- Graphit hóa 90% (d002=3,358 nm): độ dẫn nhiệt 170-190 W/(m·K)
Mỗi lần tăng 10% độ graphit hóa, độ dẫn nhiệt tăng khoảng 25-35 W/(m·K). Đây là lý do các sản phẩm graphite có độ dẫn nhiệt cao của Huahao Sealing Co., Ltd. phải trải qua xử lý graphit hóa nhiệt độ cao trên 2500℃.
2. Ảnh hưởng của Độ rỗng và Mật độ khối lượng
2.1 Mối quan hệ nghịch đảo giữa Độ rỗng và Độ dẫn nhiệt
Vật liệu than chì carbon chứa nhiều lỗ rỗng (mở và đóng), bên trong chứa không khí (độ dẫn nhiệt 0,026 W/m·K), đây là trở lực chính đối với sự truyền nhiệt. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy:
- Độ rỗng 10% (mật độ 1,85 g/cm³): độ dẫn nhiệt 150 W/(m·K)
- Độ rỗng 15% (mật độ 1,75 g/cm³): độ dẫn nhiệt 120 W/(m·K)
- Độ rỗng 20% (mật độ 1,65 g/cm³): độ dẫn nhiệt 90 W/(m·K)
- Độ rỗng 25% (mật độ 1,55 g/cm³): độ dẫn nhiệt 70 W/(m·K)
2.2 Cải thiện Độ dẫn nhiệt bằng Ngâm tẩm
Quy trình ngâm tẩm cải thiện độ dẫn nhiệt bằng cách lấp đầy các lỗ rỗng. Các chất ngâm tẩm khác nhau có ảnh hưởng rất khác nhau:
- Ngâm tẩm antimon (kim loại): độ dẫn nhiệt tăng từ 80 W/(m·K) lên 110 W/(m·K), tăng khoảng 38%
- Ngâm tẩm đồng (kim loại): độ dẫn nhiệt tăng từ 80 W/(m·K) lên 140 W/(m·K), tăng khoảng 75%
- Ngâm tẩm nhựa phenolic: độ dẫn nhiệt giảm từ 80 W/(m·K) xuống 65 W/(m·K), giảm khoảng 19% (độ dẫn nhiệt của nhựa chỉ 0,2 W/m·K)
- Ngâm tẩm PTFE: độ dẫn nhiệt giảm từ 80 W/(m·K) xuống 55 W/(m·K), giảm khoảng 31%
3. Ảnh hưởng của Kích thước hạt và Nhiệt độ
3.1 Ảnh hưởng của Kích thước hạt
Kích thước hạt graphite lớn hơn dẫn đến sự tán xạ tại ranh giới hạt ít hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn. Graphite được chế tạo từ than kim (needle coke) có hạt lớn hơn (Lc=50-100 nm) với độ dẫn nhiệt 150-200 W/(m·K), trong khi graphite từ than dầu mỏ thông thường có hạt nhỏ hơn (Lc=20-40 nm) với độ dẫn nhiệt chỉ 70-100 W/(m·K).
3.2 Phụ thuộc vào Nhiệt độ
Độ dẫn nhiệt của than chì carbon biến đổi không đơn điệu theo nhiệt độ:
- Nhiệt độ phòng (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)
Khi nhiệt độ tăng, sự tán xạ phonon tăng cường và độ dẫn nhiệt giảm. Tuy nhiên, trong ứng dụng làm đệm kín, do nhiệt ma sát tập trung tại mặt đệm và nhiệt độ làm việc thường không vượt quá 400℃, độ dẫn nhiệt vẫn có thể duy trì trên 80 W/(m·K), đảm bảo khả năng tản nhiệt đủ.
4. Đặc tính dị hướng
4.1 Sự khác biệt giữa hướng song song và vuông góc
Vật liệu than chì carbon thể hiện sự khác biệt đáng kể về độ dẫn nhiệt giữa hướng ép (song song với hướng áp lực tạo hình) và hướng vuông góc. Graphite tạo hình có tỷ lệ dị hướng khoảng 1,5:1, trong khi graphite ép đẳng hướng có tỷ lệ dị hướng chỉ khoảng 1,1:1, gần như đồng hướng.
4.2 Khuyến nghị ứng dụng kỹ thuật
Đối với các chi tiết cần tản nhiệt hướng xuyên tâm như vòng đệm, nên chọn graphite ép đẳng hướng (isotropic); đối với các chi tiết cần dẫn điện và dẫn nhiệt theo hướng trục như chổi than, có thể sử dụng graphite tạo hình (dị hướng).
Kết luận
Độ dẫn nhiệt của vật liệu than chì carbon bị ảnh hưởng toàn diện bởi nhiều yếu tố bao gồm mức độ graphit hóa, độ xốp, quy trình ngâm tẩm, kích thước hạt, nhiệt độ và tính dị hướng. Các sản phẩm than chì ngâm tẩm đồng có độ dẫn nhiệt cao của Huahao Sealing Co., Ltd. (dòng HCu) đạt độ dẫn nhiệt trên 140 W/(m·K), đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng đệm kín cơ khí chịu tải nặng và tốc độ cao. Để được hỗ trợ lựa chọn kỹ thuật, vui lòng liên hệ với đội ngũ kỹ sư của chúng tôi — chúng tôi sẽ cung cấp đề xuất vật liệu dựa trên dữ liệu đo được.