Penggrafitan merupakan proses teras yang mengubah bahan karbon amorfus dan tidak teratur menjadi struktur kristal grafit yang teratur, dengan parameter utamanya yang secara langsung mempengaruhi tahap penggrafitan, sifat bahan dan kecekapan pengeluaran. Berikut adalah parameter proses kritikal dan pertimbangan teknikal untuk penggrafitan:
I. Parameter Suhu Teras
Julat Suhu Sasaran
Penggrafitan memerlukan pemanasan bahan hingga 2300–3000℃, di mana:
- 2500℃ menandakan titik kritikal untuk pengurangan ketara dalam jarak antara lapisan grafit, memulakan pembentukan struktur yang teratur;
- Pada suhu 3000℃, penggrafitan hampir selesai, dengan jarak antara lapisan menstabilkan pada 0.3354 nm (nilai grafit ideal) dan darjah penggrafitan melebihi 90%.
Masa Pegangan Suhu Tinggi
- Kekalkan suhu sasaran selama 6–30 jam untuk memastikan pengagihan suhu relau yang seragam;
- Penahanan tambahan selama 3–6 jam semasa bekalan kuasa diperlukan untuk mencegah lantunan rintangan dan mengelakkan kecacatan kekisi yang disebabkan oleh turun naik suhu.
II. Kawalan Lengkung Pemanasan
Strategi Pemanasan Berperingkat
- Fasa pemanasan awal (0–1000℃): Dikawal pada 50℃/j untuk menggalakkan pembebasan bahan meruap secara beransur-ansur (contohnya, tar, gas) dan mencegah letusan relau;
- Fasa pemanasan (1000–2500℃): Dinaikkan kepada 100℃/j apabila rintangan elektrik berkurangan, dengan arus diselaraskan untuk mengekalkan kuasa;
- Fasa penggabungan semula suhu tinggi (2500–3000℃): Ditahan selama 20–30 jam untuk menyelesaikan pembaikan kecacatan kekisi dan penyusunan semula mikrokristalin.
Pengurusan Meruap
- Bahan mentah mesti dicampur berdasarkan kandungan meruap untuk mengelakkan kepekatan setempat;
- Lubang pengudaraan disediakan pada penebat atas untuk memastikan pelepasan meruap yang cekap;
- Lengkung pemanasan diperlahankan semasa pelepasan meruap puncak (contohnya, 800–1200℃) untuk mengelakkan pembakaran tidak lengkap dan penjanaan asap hitam.
III. Pengoptimuman Pemuatan Relau
Pengagihan Bahan Rintangan Seragam
- Bahan rintangan hendaklah diagihkan secara sama rata dari kepala relau ke ekor melalui pemuatan talian panjang untuk mengelakkan arus bias yang disebabkan oleh pengelompokan zarah;
- Pijar mangkuk pijar baharu dan terpakai mesti dicampur dengan sewajarnya dan dilarang daripada disusun berlapis-lapis bagi mengelakkan pemanasan melampau setempat disebabkan oleh variasi rintangan.
Pemilihan Bahan Bantu dan Kawalan Saiz Zarah
- ≤10% bahan bantu hendaklah terdiri daripada halus 0–1 mm untuk meminimumkan ketidakhomogenan rintangan;
- Bahan bantu rendah abu (<1%) dan rendah meruap (<5%) diutamakan untuk mengurangkan risiko penjerapan bendasing.
IV. Kawalan Penyejukan dan Pemunggahan
Proses Penyejukan Semula Jadi
- Penyejukan paksa dengan semburan air adalah dilarang; sebaliknya, bahan dikeluarkan lapisan demi lapisan menggunakan pemegang atau peranti sedutan untuk mengelakkan keretakan tegasan haba;
- Masa penyejukan mestilah ≥7 hari untuk memastikan kecerunan suhu secara beransur-ansur dalam bahan.
Suhu Pembongkaran dan Pengendalian Kerak
- Pemunggahan optimum berlaku apabila mangkuk pijar mencapai ~150℃; penyingkiran pramatang menyebabkan pengoksidaan bahan (peningkatan luas permukaan tentu) dan kerosakan mangkuk pijar;
- Kerak setebal 1–5 mm (mengandungi bendasing kecil) terbentuk pada permukaan mangkuk pijar semasa pemunggahan dan mesti disimpan secara berasingan, dengan bahan yang berkelayakan dibungkus dalam beg tan untuk penghantaran.
V. Pengukuran Darjah Penggrafitan dan Korelasi Sifat
Kaedah Pengukuran
- Difraksi Sinar-X (XRD): Mengira jarak antara lapisan d002 melalui kedudukan puncak pembelauan (002), dengan darjah grafitisasi g diperoleh menggunakan formula Franklin:
g=0.00860.3440−2c0×100%
(di mana c0 ialah jarak antara lapisan yang diukur; g=84.05% apabila d002=0.3360nm).
- Spektroskopi Raman: Menganggarkan darjah penggrafitan melalui nisbah keamatan puncak-D kepada puncak-G.
Impak Hartanah
- Setiap peningkatan 0.1 dalam darjah penggrafitan mengurangkan kerintangan sebanyak 30% dan meningkatkan kekonduksian terma sebanyak 25%;
- Bahan yang sangat bergrafit (>90%) mencapai kekonduksian sehingga 1.2×10⁵ S/m, walaupun ketahanan hentaman mungkin menurun, memerlukan teknik bahan komposit untuk mengimbangi prestasi.
VI. Pengoptimuman Parameter Proses Lanjutan
Penggrafitan Pemangkin
- Pemangkin besi/nikel membentuk fasa perantaraan Fe₃C/Ni₃C, menurunkan suhu penggrafitan kepada 2200℃;
- Pemangkin boron berinterkalasi ke dalam lapisan karbon untuk menggalakkan susunan, memerlukan 2300℃.
Penggrafitan Suhu Ultra Tinggi
- Pemanasan arka plasma (suhu teras plasma argon: 15,000℃) mencapai suhu permukaan 3200℃ dan darjah grafitisasi >99%, sesuai untuk grafit gred nuklear dan gred aeroangkasa.
Penggrafitan Gelombang Mikro
- Gelombang mikro 2.45 GHz merangsang getaran atom karbon, membolehkan kadar pemanasan 500℃/min tanpa kecerunan suhu, walaupun terhad kepada komponen berdinding nipis (<50 mm).
Masa siaran: 04-Sep-2025