Rawatan penggrafitan biasanya memerlukan suhu tinggi antara 2300 hingga 3000℃, dengan prinsip terasnya ialah transformasi atom karbon daripada susunan yang tidak teratur kepada struktur kristal grafit yang teratur melalui rawatan haba suhu tinggi. Berikut ialah analisis terperinci:
I. Julat Suhu untuk Rawatan Penggrafitan Konvensional
A. Keperluan Suhu Asas
Penggrafitan konvensional memerlukan peningkatan suhu kepada julat 2300 hingga 3000℃, di mana:
- 2500℃ menandakan titik perubahan penting, di mana jarak antara lapisan atom karbon berkurangan dengan ketara, dan tahap grafitisasi meningkat dengan pesat;
- Melebihi 3000℃, perubahan menjadi lebih beransur-ansur, dan kristal grafit menghampiri kesempurnaan, walaupun suhu selanjutnya meningkatkan hasil yang mengurangkan penambahbaikan marginal dalam prestasi.
B. Kesan Perbezaan Bahan terhadap Suhu
- Karbon yang mudah digrafitkan (contohnya, kok petroleum): Memasuki peringkat penggrafitan pada 1700℃, dengan peningkatan ketara dalam darjah penggrafitan pada 2500℃;
- Karbon yang sukar digrafitkan (contohnya, antrasit): Memerlukan suhu yang lebih tinggi (menghampiri 3000℃) untuk mencapai transformasi yang serupa.
II. Mekanisme Suhu Tinggi Menggalakkan Susunan Atom Karbon
A. Fasa 1 (1000–1800℃): Pelepasan Meruap dan Penyusunan Dua Dimensi
- Rantai alifatik, ikatan CH, dan C=O terurai, melepaskan hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur dan unsur lain dalam bentuk monomer atau molekul ringkas (contohnya, CH₄, CO₂);
- Lapisan atom karbon mengembang dalam satah dua dimensi, dengan ketinggian mikrokristalin meningkat dari 1 nm hingga 10 nm, sementara susunan antara lapisan sebahagian besarnya tidak berubah;
- Kedua-dua proses endotermik (tindak balas kimia) dan eksotermik (proses fizikal, seperti pembebasan tenaga antara muka daripada kehilangan sempadan mikrokristalin) berlaku serentak.
B. Fasa 2 (1800–2400℃): Penyusunan Tiga Dimensi dan Pembaikan Sempadan Bijirin
- Peningkatan frekuensi getaran terma atom karbon mendorongnya untuk beralih kepada susunan tiga dimensi, yang dikawal oleh prinsip tenaga bebas minimum;
- Kehelan dan sempadan butiran pada satah kristal secara beransur-ansur hilang, dibuktikan dengan kemunculan garis tajam (hko) dan (001) dalam spektrum pembelauan sinar-X, yang mengesahkan pembentukan susunan tertib tiga dimensi;
- Sesetengah bendasing membentuk karbida (contohnya, silikon karbida), yang terurai menjadi wap logam dan grafit pada suhu yang lebih tinggi.
C. Fasa 3 (Melebihi 2400℃): Pertumbuhan Bijirin dan Penghabluran Semula
- Dimensi butiran meningkat di sepanjang paksi-a kepada purata 10–150 nm dan di sepanjang paksi-c kepada kira-kira 60 lapisan (kira-kira 20 nm);
- Atom karbon mengalami penambahbaikan kekisi melalui migrasi dalaman atau antara molekul, manakala kadar penyejatan bahan karbon meningkat secara eksponen dengan suhu;
- Pertukaran bahan aktif berlaku antara fasa pepejal dan gas, mengakibatkan pembentukan struktur kristal grafit yang sangat teratur.
III. Pengoptimuman Suhu melalui Proses Khas
A. Penggrafitan Pemangkin
Penambahan mangkin seperti besi atau ferosilikon boleh mengurangkan suhu grafitisasi dengan ketara kepada julat 1500–2200℃. Contohnya:
- Pemangkin ferosilikon (kandungan silikon 25%) boleh menurunkan suhu daripada 2500–3000℃ kepada 1500℃;
- Pemangkin BN boleh mengurangkan suhu kepada di bawah 2200℃ sambil meningkatkan orientasi gentian karbon.
B. Penggrafitan Suhu Ultra Tinggi
Digunakan untuk aplikasi ketulenan tinggi seperti grafit gred nuklear dan gred aeroangkasa, proses ini menggunakan pemanasan aruhan frekuensi sederhana atau pemanasan arka plasma (contohnya, suhu teras plasma argon mencapai 15,000℃) untuk mencapai suhu permukaan melebihi 3200℃ pada produk;
- Tahap penggrafitan melebihi 0.99, dengan kandungan bendasing yang sangat rendah (kandungan abu < 0.01%).
IV. Kesan Suhu terhadap Kesan Penggrafitan
A. Kerintangan dan Kekonduksian Terma
Bagi setiap peningkatan 0.1 dalam darjah penggrafitan, kerintangan berkurangan sebanyak 30%, dan kekonduksian terma meningkat sebanyak 25%. Contohnya, selepas rawatan pada suhu 3000℃, kerintangan grafit boleh menurun kepada 1/4–1/5 daripada nilai awalnya.
B. Sifat Mekanikal
Suhu tinggi mengurangkan jarak antara lapisan grafit kepada nilai hampir ideal (0.3354 nm), meningkatkan rintangan kejutan haba dan kestabilan kimia dengan ketara (dengan pengurangan pekali pengembangan linear sebanyak 50%–80%), di samping memberikan kelinciran dan rintangan haus.
C. Peningkatan Ketulenan
Pada suhu 3000℃, ikatan kimia dalam 99.9% sebatian semula jadi terurai, membolehkan bendasing dilepaskan dalam bentuk gas dan menghasilkan ketulenan produk sebanyak 99.9% atau lebih tinggi.
Masa siaran: 11-Sep-2025