ОТ НЕФТИ К ГРАФИТУ
С. ФЕДОСЕЕВ, докт. техн. наук, и Б. БУХАРОВ, инженер
Графит, известный человеку не одно столетие, в век атомной энергетики получил новую, почетную должность. Из графита делается та обойма, в которую заключены урановые стержни атомного реактора и которая разогревается под действием радиации, а затем отдает тепло в водяной контур атомной электростанции.
Физико-химические свойства графита уникальны. Одно из них - высокая температура плавления. Она выше, чем у самого тугоплавкого металла, вольфрама.
В последнее время графит все шире используется в качестве конструкционного материала в различных высокотемпературных технологических процессах в металлургии, авиации, ракетной технике, и т. д. Природного графита не хватает или же он порой не вполне устраивает конструкторов по некоторым своим качествам и поэтому приходится создавать ему замену.
Сырьем для получения искусственных графитов и других углеродистых материалов служат природные вещества, богатые углеродом, - уголь, нефть, природный газ. Их нагревают до высокой температуры и в результате термообработки молекулы этих органических веществ теряют водород, азот, кислород, серу, другие элементы и обогащаются углеродом. Чем выше температура термообработки, тем богаче углеродом образующийся продукт. Его называют коксом (если сырьем служат жидкие 1или твердые материалы - -нефть, уголь и др.) или пироуглеродом (если сырьем служит природный газ).
Разложением природного газа можно получить высокоупорядоченный пироуглерод. Образованию пироуглерода в этом случае предшествует глубокое расщепление исходных молекул в небольшие радикалы. Так, как вещество находится в газообразном состоянии, эти радикалы весьма подвижны и структура пироуглерода в основном зависит от условий пиролиза - температуры, давления, концентрации.
При разложении жидкого и твердого сырья структура получаемого кокса определяется преимущественно свойствами исходных материалов и, что особенно важно, структурой их агрегатного состояния при температуре 400 - 550°С. Эта важная стадия процесса называется стадией низкотемпературной карбонизации.
Последние исследования советских и зарубежных ученых позволили выяснить некоторые важные закономерности, согласно которым формируется микроструктура кокса на стадии низкотемпературной карбонизации термопластичного сырья. В ходе этих исследований сырьем служили каменноугольный и нефтяной пек, битумы, различные полимеры и органические вещества низкого молекулярного веса.
Было установлено, что превращение сырьевых материалов в кокс проходит через некоторую промежуточную фазу. Ее называют мезофазой (от греческого слова «мезос» - «средний», «промежуточный»). Это превращение можно проследить с помощью оптического микроскопа в поляризованном свете.
На рис. 1 показана начальная стадия процесса низкотемпературной карбонизации нефтяного пека. При температуре 400°С в нефтяном пеке (красный фон) появляется новая фаза в виде отдельных сферических частиц. Эти частицы текучи, сливаются при соприкосновении, то есть ведут себя, как жидкости. В то же время они оптически анизотропны. Это значит, что свет по-разному проходит сквозь них или отражается от них в зависимости от направления.
Это свойство характерно для кристаллов и позволяет утверждать, что молекулы в жидких сферических частицах соблюдают дальний порядок в своей ориентации. Вещества, которым это свойственно, называют жидкими кристаллами.
Изучение ультратонких срезов сфер методом электронной избирательной дифракции, а также с помощью оптической спектроскопии позволило установить, что они состоят из молекул, упакованных в слои параллельно друг другу. Эти слои расположены перпендикулярно одному из диаметров сферы и подходят изнутри к ее поверхности под прямым углом.
На следующих рисунках показаны дальнейшие стадии процесса. По мере роста температуры жидкие сферы увеличиваются в размерах, их становится все больше (рис. 2, 3, 4), затем они сливаются, образуя большие области мезофазы с одинаковой ориентацией слоев (рис. 6). Слияние двух сфер показано на рис. 5. В конечном итоге весь пек превращается в мезофазу с ориентированной структурой (рис. 7). Потом она затвердевает и уже не испытывает структурных превращений.
Таким образом, видно, что именно на стадии низкотемпературной карбонизации закладываются основные структурные особенности углеродных материалов. Определена стадия, на которой можно наиболее эффективно влиять на свойства будущих изделий из этих материалов.
Читайте в любое время
