ગ્રાફિટાઇઝેશન ટ્રીટમેન્ટ માટે જરૂરી તાપમાન શું છે?

ગ્રાફિટાઇઝેશન ટ્રીટમેન્ટ માટે સામાન્ય રીતે 2300 થી 3000℃ સુધીના ઊંચા તાપમાનની જરૂર પડે છે, જેનો મુખ્ય સિદ્ધાંત ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર દ્વારા કાર્બન અણુઓને અવ્યવસ્થિત ગોઠવણીમાંથી ક્રમબદ્ધ ગ્રેફાઇટ સ્ફટિક માળખામાં રૂપાંતરિત કરવાનો છે. નીચે વિગતવાર વિશ્લેષણ છે:

I. પરંપરાગત ગ્રાફિટાઇઝેશન ટ્રીટમેન્ટ માટે તાપમાન શ્રેણી

A. મૂળભૂત તાપમાન આવશ્યકતાઓ

પરંપરાગત ગ્રાફિટાઇઝેશન માટે તાપમાન 2300 થી 3000℃ ની રેન્જમાં વધારવાની જરૂર પડે છે, જ્યાં:

• 2500℃ એક મહત્વપૂર્ણ વળાંક દર્શાવે છે, જ્યાં કાર્બન અણુઓના આંતરસ્તરીય અંતરમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો થાય છે, અને ગ્રાફિટાઇઝેશનની ડિગ્રી ઝડપથી વધે છે;
• ૩૦૦૦℃ થી આગળ, ફેરફારો વધુ ધીમે ધીમે થાય છે, અને ગ્રેફાઇટ સ્ફટિક પૂર્ણતાની નજીક પહોંચે છે, જોકે વધુ તાપમાનમાં વધારો થવાથી ઉપજમાં ઘટાડો થાય છે અને કામગીરીમાં નજીવો સુધારો થાય છે.

B. તાપમાન પર સામગ્રીના તફાવતોની અસર

• સરળતાથી ગ્રાફાઇટાઇઝ કરી શકાય તેવા કાર્બન (દા.ત., પેટ્રોલિયમ કોક): 1700℃ પર ગ્રાફાઇટાઇઝેશન તબક્કામાં પ્રવેશ કરો, 2500℃ પર ગ્રાફાઇટાઇઝેશન ડિગ્રીમાં નોંધપાત્ર વધારો સાથે;
• ગ્રાફાઇટાઇઝ કરવામાં મુશ્કેલ કાર્બન (દા.ત., એન્થ્રાસાઇટ): સમાન રૂપાંતર પ્રાપ્ત કરવા માટે ઊંચા તાપમાન (3000℃ ની નજીક) ની જરૂર પડે છે.

II. ઉચ્ચ તાપમાન કાર્બન અણુના ક્રમને કઈ પદ્ધતિ દ્વારા પ્રોત્સાહન આપે છે

A. તબક્કો 1 (1000–1800℃): અસ્થિર ઉત્સર્જન અને દ્વિ-પરિમાણીય ક્રમ

• એલિફેટિક સાંકળો, CH, અને C=O બંધનો તૂટી જાય છે, જેનાથી હાઇડ્રોજન, ઓક્સિજન, નાઇટ્રોજન, સલ્ફર અને અન્ય તત્વો મોનોમર્સ અથવા સરળ અણુઓના સ્વરૂપમાં મુક્ત થાય છે (દા.ત., CH₄, CO₂);
• કાર્બન અણુ સ્તરો દ્વિ-પરિમાણીય સમતલમાં વિસ્તરે છે, જેમાં માઇક્રોક્રિસ્ટલાઇન ઊંચાઈ 1 nm થી 10 nm સુધી વધે છે, જ્યારે ઇન્ટરલેયર સ્ટેકીંગ મોટાભાગે યથાવત રહે છે;
• એન્ડોથર્મિક (રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ) અને એક્ઝોથર્મિક (ભૌતિક પ્રક્રિયાઓ, જેમ કે માઇક્રોક્રિસ્ટલાઇન સીમા અદ્રશ્ય થવાથી ઇન્ટરફેસિયલ ઊર્જાનું પ્રકાશન) બંને પ્રક્રિયાઓ એક સાથે થાય છે.

B. તબક્કો 2 (1800–2400℃): ત્રિ-પરિમાણીય ક્રમ અને અનાજની સીમા સમારકામ

• કાર્બન અણુઓની વધેલી થર્મલ કંપન આવૃત્તિઓ તેમને લઘુત્તમ મુક્ત ઊર્જાના સિદ્ધાંત દ્વારા સંચાલિત ત્રિ-પરિમાણીય વ્યવસ્થામાં સંક્રમણ કરવા પ્રેરે છે;
• સ્ફટિક સમતલ પરના અવ્યવસ્થા અને અનાજની સીમાઓ ધીમે ધીમે અદૃશ્ય થઈ જાય છે, જે એક્સ-રે વિવર્તન સ્પેક્ટ્રામાં તીક્ષ્ણ (hko) અને (001) રેખાઓના ઉદભવ દ્વારા પુરાવા મળે છે, જે ત્રિ-પરિમાણીય ક્રમબદ્ધ ગોઠવણીની રચનાની પુષ્ટિ કરે છે;
• કેટલીક અશુદ્ધિઓ કાર્બાઇડ (દા.ત., સિલિકોન કાર્બાઇડ) બનાવે છે, જે ઊંચા તાપમાને ધાતુના વરાળ અને ગ્રેફાઇટમાં વિઘટિત થાય છે.

C. તબક્કો 3 (2400℃ થી ઉપર): અનાજનો વિકાસ અને પુનઃસ્ફટિકીકરણ

• અનાજના પરિમાણો a-અક્ષ સાથે સરેરાશ 10-150 nm અને c-અક્ષ સાથે આશરે 60 સ્તરો (લગભગ 20 nm) સુધી વધે છે;
• કાર્બન અણુઓ આંતરિક અથવા આંતર-આણ્વિક સ્થળાંતર દ્વારા જાળી શુદ્ધિકરણમાંથી પસાર થાય છે, જ્યારે કાર્બન પદાર્થોનો બાષ્પીભવન દર તાપમાન સાથે ઝડપથી વધે છે;
• ઘન અને વાયુ તબક્કાઓ વચ્ચે સક્રિય સામગ્રીનું વિનિમય થાય છે, જેના પરિણામે ખૂબ જ ક્રમબદ્ધ ગ્રેફાઇટ સ્ફટિક માળખું બને છે.

III. ખાસ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા તાપમાન ઑપ્ટિમાઇઝેશન

A. ઉત્પ્રેરક ગ્રાફિટાઇઝેશન

આયર્ન અથવા ફેરોસિલિકોન જેવા ઉત્પ્રેરકનો ઉમેરો ગ્રાફિટાઇઝેશન તાપમાનને 1500–2200℃ ની રેન્જમાં નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે:

• ફેરોસિલિકોન ઉત્પ્રેરક (25% સિલિકોન સામગ્રી) તાપમાન 2500–3000℃ થી 1500℃ સુધી ઘટાડી શકે છે;
• BN ઉત્પ્રેરક કાર્બન ફાઇબરના ઓરિએન્ટેશનને વધારીને તાપમાનને 2200℃ થી નીચે ઘટાડી શકે છે.

B. અતિ-ઉચ્ચ-તાપમાન ગ્રાફિટાઇઝેશન

ન્યુક્લિયર-ગ્રેડ અને એરોસ્પેસ-ગ્રેડ ગ્રેફાઇટ જેવા ઉચ્ચ-શુદ્ધતા કાર્યક્રમો માટે ઉપયોગમાં લેવાતી, આ પ્રક્રિયા મધ્યમ-આવર્તન ઇન્ડક્શન હીટિંગ અથવા પ્લાઝ્મા આર્ક હીટિંગ (દા.ત., આર્ગોન પ્લાઝ્મા કોર તાપમાન 15,000℃ સુધી પહોંચે છે) નો ઉપયોગ કરે છે જેથી ઉત્પાદનો પર સપાટીનું તાપમાન 3200℃ થી વધુ થાય;

• ગ્રાફિટાઇઝેશનની ડિગ્રી 0.99 થી વધુ છે, જેમાં અત્યંત ઓછી અશુદ્ધિ સામગ્રી (રાખનું પ્રમાણ < 0.01%) છે.

IV. ગ્રાફિટાઇઝેશન અસરો પર તાપમાનની અસર

A. પ્રતિકારકતા અને થર્મલ વાહકતા

ગ્રાફિટાઇઝેશન ડિગ્રીમાં દરેક 0.1 વધારા માટે, પ્રતિકારકતા 30% ઘટે છે, અને થર્મલ વાહકતા 25% વધે છે. ઉદાહરણ તરીકે, 3000℃ પર સારવાર પછી, ગ્રેફાઇટની પ્રતિકારકતા તેના પ્રારંભિક મૂલ્યના 1/4–1/5 સુધી ઘટી શકે છે.

B. યાંત્રિક ગુણધર્મો

ઊંચા તાપમાન ગ્રેફાઇટના સ્તર વચ્ચેનું અંતર લગભગ આદર્શ મૂલ્યો (0.3354 nm) સુધી ઘટાડે છે, જે થર્મલ શોક પ્રતિકાર અને રાસાયણિક સ્થિરતામાં નોંધપાત્ર વધારો કરે છે (50%–80% ના રેખીય વિસ્તરણ ગુણાંક ઘટાડા સાથે), જ્યારે લુબ્રિસિટી અને ઘસારો પ્રતિકાર પણ પ્રદાન કરે છે.

C. શુદ્ધતા વધારો

૩૦૦૦℃ તાપમાને, ૯૯.૯% કુદરતી સંયોજનોમાં રાસાયણિક બંધનો તૂટી જાય છે, જેના કારણે અશુદ્ધિઓ વાયુ સ્વરૂપમાં મુક્ત થાય છે અને પરિણામે ઉત્પાદન શુદ્ધતા ૯૯.૯% કે તેથી વધુ થાય છે.