ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ
Аннотация
Методом рентгеноструктурного анализа изучено изменение структуры углеродного материала на различных этапах графитации. Объектами исследования были образцы, изготовленные из смеси нефтяного кокса (содержание серы 1,3 масс.%) и 25% пека, а также малосернистый (содержание серы < 0,3 масс.%) нефтяной кокс. Образцы из высокосернистого кокса и пека прессовали в виде цилиндров и карбонизировали при 900 °С. Часть образцов углеродного материала на высокосернистом коксе содержала Fe2O3 в количестве 0,75 масс.%. Показано, что профили дифракционных максимумов 002 образцов малосернистого и высокосернистого углеродного материала, прошедших высокотемпературную термообработку, не симметричные. Это может быть обусловлено одновременным присутствием метастабильных углеродных фаз, отличающихся значением межслоевого расстояния. Анализ профиля таких асимметричных дифракционных максимумов с помощью программы Origin позволяет получить новые данные о тонкой структуре материала. Показано, что углеродный материал, прошедший термообработку в интервале 1200 – 2800 °С, гетерогенен. Состав метастабильных углеродных фаз определяется температурой обработки и наличием добавки оксида железа. Формирование областей когерентного рассеяния метастабильных фаз с меньшим межплоскостным расстоянием и увеличение их количества обусловливает постепенное смещение экспериментально наблюдаемого дифракционного максимума 002 в сторону увеличения угла дифракции. Процесс графитации углеродного материала, по-видимому, развивается через ряд метастабильных состояний. В образцах, изготовленных на коксе, содержащем серу в количестве 1,3 масс.%, после термообработки в интервале температуры десульфуризации регистрируется фаза с межслоевым расстоянием d002 ~ 0,336 нм. Введение добавки оксида железа существенно ингибирует процесс такого локального стимулирования графитации при достаточно низких температурах.
Литература
Chae H.G., Newcomb B.A., Gulgunje P.V., Liu Y., Gupta K.K., Kamath M.G., Lyons K.M., Choshal S., Pramanik C., Giannuzzi L., Sahin K., Chasiotis I., Kumar S. High strength and high modulus carbon fibers. Carbon. 2015. V. 93. N 11. P. 81-87. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.05.016.
Liu F., Wang H., Xue L., Fan L., Zhu Z. Effect of microstructure on the mechanical properties of PAN-based carbon fibers during high-temperature graphitization. J. Mater. Sci. 2008. V. 43. N 10. P. 4316-4322. DOI: 10.1007/s10853-008-2633-y.
Wen Y., Lu Y., Xiao H., Qin X. Further investigation on boric acid catalytic graphitization of polyacrylonitrile carbon fibers: Mechanism and mechanical properties. Mater. De-sign. 2012. V. 36. P. 728 – 734. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.11.051.
Verbets D.B., Samoilov V.M., Buchnev L.M., Nakhodnova A.V., Bubnenkov I.A., Steparyova N.N. Influence of drawing conditions and gas environment during graphitization on the crystal structure and properties of high-modulus carbon fibers based on polyacrylonitrile. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 11. P. 10-18 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186111.17y.
Samoilov V.M., Verbets D.B., Bubnenkov I.A., Steparyova N.N., Nikolaeva A.V., Danilov E.A., Ponomareva D.V., Timoshchuk E.I. Influence of Graphitization Conditions at 3000°C on Structural and Mechanical Properties of High-Modulus Polyacrylonitrile-Based Carbon Fibers. Inorg. Mater.: Appl. Res. 2018. V. 9. N 5. P. 890–899. DOI: 10.1134/S2075113318050258.
Zhao J., Yang L., Li F., Yu R., Jin Ch. Structural evolution in the graphitization process of activated carbon by high-pressure sintering. Carbon. 2009. V. 47. N 3. P. 744-751. DOI: 10.1016/j.carbon.2008.11.006.
Vazquez-Santos M.B., Geissler E., Laszlo K., Rouzaud J.N., Martínez-Alonso A., Tascon M.D. Comparative XRD, Raman, and TEM Study on Graphitization of PBO-Derived Carbon Fibers. J. Phys. Chem. C. 2012. V. 116. N 1. P. 257 – 268. DOI: 10.1021/jp2084499.
Kumar P., Srivastava V.K. A Review on Wear and Friction Performance of Carbon-Carbon Composites at High Temperature. Internat. J. Appl. Ceramic Technol. 2016. V. 13. N 4. P. 702-710. DOI: 10.1111/ijac.12538.
Wang M.L., Bian W.F. The relationship between the mechanical properties and microstructures of carbon fibers. New Carbon Mater. 2020. V. 35. N 1. P. 42-49.
Gubernat M., Lis T., Tomala J., Kawala J., Fraczek-Szczypta A., Blazewicz S. Study of the Carbonization and Graphitization of Coal Tar Pitch Modified with SiC Nanoparticles. Hindawi J. Nanomat. 2017. V. 2017. DOI: 10.1155/2017/6578928.
Zhang Z., Wang Q. The New Method of XRD Measurement of the Degree of Disorder for Anode Coke Material. Crystals. 2017. V. 7. N 1. DOI: 10.3390/cryst7010005.
Barnakov Ch.N., Khokhlova G.P., Popova A.N., Sozinov S.A., Ismagilov Z.R. XRD Characterization of the Structure of Graphites and Carbon Materials Obtained by the Low-Temperature Graphitization of Coal Tar Pitch. Eurasian Chem.-Technol. J. 2015. V. 17. N 2. P. 87–93.
Bubnenkov I.A., Koshelev U.I., Sorokin O.U., Orekhov T.V., Polushin N.I., Stepareva N.N. Study of the interac-tion of silicon with carbon materials. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2013. V. 56. N 5. P. 12-18 (in Russian).
Lachter J., Bragg R.M. Interstitials in graphite and disor-dered carbons. Phys. Rev. B. 1986. V. 33. N 12. P. 8903-8905. DOI: 10.1103/PhysRevB.33.8903.
Aladekomo J.B., Bragg R.H. Structural transformations induced in graphite by grinding: Analysis of 002 x-ray diffraction line profiles. Carbon. 1990. V. 28. N 6. P. 897- 906. DOI: 10.1016/0008-6223(90)90338-Y.
Tyumentsev V.A., Fazlitdinova A.G., Podkopaev S.A., Churikov V.V. Fine structure of polyacrylonitrile and car-bon fibers. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2013. V. 56. N 7. P. 83-87 (in Rus-sian).
Tyumentsev V.A., Fazlitdinova A.G. Relation between the Synthesis Conditions and the Fine Structure of Fiber Carbon. Technical Physics. Russ. J. Appl. Phys. 2016. V. 61. N 3. P. 380-387. DOI: 10.1134/S106378421603021X.
Tyumentsev V.A., Fazlitdinova A.G. Investigation of the structure of fibrous carbon materials by X-ray diffractometry. Zavod. Laboratoriya. Diagn. Mater. 2019. V. 85. N 11. P. 31–36 (in Russian). DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-31-36.
Churikov V.V., Tuymentsev V.A., Podkopaev S.A. Effect of Boron Additive on the Formation of the Carbon Fiber. Russ. J. Appl. Chem. 2010. V. 83. N 6. P. 989 – 992. DOI: 10.1134/S107042721006011X.
Tyumentsev V.A., Fazlitdinova A.G., Podkopaev S.A. Effect of Temperature of Thermomechanical Processing on the Heterogeneous Structure of Carbon Fiber. Techn. Phys. 2019. V.64. N 12. P. 1767-1773. DOI: 10.1134/S1063784219120259.
