Über pyrolytischen Graphit

Pyrolytischer Graphit ist ein polykristalliner Graphit, der durch die Zersetzung eines Kohlenwasserstoffgases entsteht. Diese künstliche Verbindung sieht ähnlich aus wie Graphit. Es hat jedoch zahlreiche einzigartige Eigenschaften. Daher wird es in verschiedenen Branchen für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. In diesem Beitrag erhalten Sie umfassende Informationen über pyrolytischen Graphit, seine Eigenschaften und Anwendungen. Lassen Sie uns beginnen.

Der Überblick über pyrolytische Graphitverbindungen

Pyrolytischer Graphit ist eine Form von Graphit, die durch die Zersetzung eines Kohlenwasserstoffgases entsteht.

Wenn die Temperatur des Kohlenwasserstoffgases in einer Vakuumatmosphäre das Stadium der Zersetzung erreicht, bildet es stark orientierte Graphitschichten.

Was es von gewöhnlichem Graphit unterscheidet, ist seine kristalline Struktur. Im Gegensatz zu natürlichem Graphit hat es organisierte Kohlenstoffatome. Außerdem ist es extrem anisotrop.

Lassen Sie uns die Merkmale dieser Technologie kennenlernen.

Merkmale/Eigenschaften von pyrolytischem Graphit

Pyrolytischer Graphit zeichnet sich durch eine Vielzahl von Eigenschaften aus. Aufgrund der folgenden Eigenschaften findet dieser Graphit in zahlreichen Branchen Anwendung.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Pyrolytischer Graphit ist bekannt für seine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene, die auf seine starke kovalente Bindung zurückzuführen ist.

Bei Raumtemperatur kann es bis zu 2000 W/m-K erreichen. Diese Eigenschaft macht dieses Material ideal für Produkte wie Wärmespreizer und Wärmesenken.

Hohe elektrische Leitfähigkeit

Pyrolytischer Graphit ist anisotrop und weist eine Schichtstruktur auf. Dadurch unterstützt er einen hervorragenden Stromfluss. Die Elektronen dieses Graphits bewegen sich leicht entlang der gebundenen Kohlenstoffatome.

Hochtemperaturbeständig

Pyrolytischer Graphit kann extrem hohen Temperaturen standhalten. Er ist ein thermodynamisch stabiler Kohlenstoff. Daher behält er seine chemische Struktur auch bei hohen Temperaturen bei. Die Verbindung funktioniert sogar bei einer Temperatur von 3500 °C in einer nicht oxidierenden Atmosphäre einwandfrei.

Chemische Beständigkeit

Pyrolytischer Graphit ist chemisch inert. Er reagiert bei Raumtemperatur nicht auf die meisten Säuren, Laugen und Lösungsmittel. Er kann einer Vielzahl von chemischen Angriffen widerstehen. Daher wird er von Nukleartechnikern in Kernreaktoren verwendet.

Mechanische Festigkeit

Pyrolytischer Graphit ist zwar leicht, hat aber eine ordentliche mechanische Festigkeit. Seine Zugfestigkeit in der Ebene liegt zwischen 20 und 40 MPa.

Reibungskoeffizient

Pyrolytischer Graphit hat einen vernachlässigbaren Reibungskoeffizienten, insbesondere unter ungeschmierten Bedingungen. Daher wird er in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf geringe Reibung ankommt.

Sie finden Verwendung in Dichtungen, Lagern und verschiedenen Gleitelementen.

Wie wird pyrolytischer Graphit hergestellt?

Pyrolytischer Graphit wird durch ein chemisches Aufdampfverfahren hergestellt. Ingenieure scheiden bei extremen Temperaturen Kohlenstoffatome in dünnen Schichten auf ein Substrat ab.

Lassen Sie uns den gesamten Prozess Schritt für Schritt nachvollziehen.

Auswahl der Kohlenwasserstoffquelle

Zunächst wählen die Hersteller ein kohlenstoffhaltiges Gas für die Herstellung von pyrolytischem Graphit aus. Dieses Gas kann Methan, Acetylen und Propan sein. Es dient als Kohlenstoffquelle für die Herstellung von Graphitstrukturen.

Bildung des Substrats

Nach der Wahl des Gases ist es an der Zeit, ein geeignetes Substrat zu finden. Im Allgemeinen bevorzugen die Hersteller Graphit als Substrat. Schließlich kann es hohen Temperaturen standhalten. Auf dem Substrat können sich die Kohlenstoffatome in einer graphitischen Struktur niederlassen.

CVD-Verfahren (Chemische Gasphasenabscheidung)

Das Kohlenwasserstoffgas wird in einen Ofen geleitet. Die Temperatur des Ofens liegt zwischen 200 und 300 °C.

Bei dieser extremen Temperatur wird das Gas in Kohlenstoff- und Wasserstoffbestandteile zerlegt. Der Wasserstoff wird als Abfallprodukt freigesetzt, während sich die Kohlenstoffatome an der Substratoberfläche anlagern.

Ablage

Die Ablagerung der Kohlenstoffatome erfolgt in einer dünnen Schicht aufgrund des kontrollierten Drucks. Diese Kohlenstoffschichten bilden eine geordnete Struktur von pyrolytischem Graphit.

Da die Atome in den Schichten gut ausgerichtet sind, wird pyrolytischer Graphit anisotrop.

Kühlung

Auf die schichtweise Abscheidung der Kohlenstoffatome folgt ein Abkühlungsprozess.

Jetzt können die Hersteller den Graphit aus dem Ofen holen, um ihm die gewünschte Form zu geben

.

Der gesamte Herstellungsprozess unterliegt einer strengen Qualitätskontrolle. Dadurch wird sichergestellt, dass der pyrolytische Graphit die erforderlichen elektrischen und thermischen Eigenschaften aufweist.

Anwendungen 

Kernreaktoren

Stromerzeugungs- und Kernenergieunternehmen auf der ganzen Welt verwenden pyrolytischen Graphit als Moderatormaterial in Kernreaktorkonstruktionen.

Die AGR und die gasgekühlten MAGNOX-Reaktoren des Vereinigten Königreichs sind ein perfektes Beispiel dafür.

Da pyrolytischer Graphit eine anisotrope Kohlenstoffform ist, wird er in HTGRs (Hochtemperatur-Gasgekühlten Reaktoren) und schnellen Reaktoren verwendet. Die Widerstandsfähigkeit des Graphits gegen Temperaturschocks und Chemikalien macht ihn für die Kernindustrie geeignet.

Als Moderator bremst der Graphit die Neutronen bei den Spaltreaktionen und trägt so zum einwandfreien Betrieb des Reaktors bei.

Nukleartechniker verwenden pyrolytischen Graphit auch zur Herstellung von Strukturmaterial. Es umhüllt Kernbrennstoffteilchen.

In gasgekühlten Reaktoren wird der Brennstoff in tristruktur-isotrope Partikel eingekapselt. Die Beschichtung dieses Graphits schützt den Brennstoff.

Er wirkt auch als Barriere und schützt Reaktoren vor radioaktiven Stoffen. Dieser Graphit verliert seine strukturelle Integrität auch bei Temperaturen von über 1.000°C nicht.

Batterien

Batteriehersteller verwenden pyrolytischen Graphit auf vielfältige Weise. Er spielt eine große Rolle in der modernen Batterietechnologie. 

Auch in Lithium-Ionen-Batterien wird dieser Graphit aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und thermischen Stabilität eingesetzt.

Diese Batterien nutzen diesen Graphit als Wirt für Lithium-Ionen während der Lade- und Entladezyklen.

Außerdem verwenden die Hersteller diesen Graphit als negative Elektrode in wiederaufladbaren Lithiumbatterien.

Die Schichtstruktur von pyrolytischem Graphit ermöglicht die Einlagerung von Lithium-Ionen zwischen den Schichten. Dadurch wird ein reversibler Mechanismus zur Energiespeicherung geschaffen.

Im Gegensatz zu anderen Anodenmaterialien kann diese Graphitform hohen Temperaturen und chemischen Reaktionen standhalten. Es hilft der Batterie, unter extremen Bedingungen zu funktionieren. Solche Batterien werden häufig in Elektrofahrzeugen und in der Raumfahrt eingesetzt.

Brennstoffzellen-Technologie

Es spielt eine entscheidende Rolle in der Brennstoffzellentechnologie. Pyrolytische Graphitplatten sind ein gutes Beispiel dafür.

Diese Platten in der Brennstoffzelle halten die Temperatur und leiten die Abwärme ab. Festoxid-Brennstoffzellen mit hohen Temperaturen sind auf diesen Graphit angewiesen, um die Wärme zu verwalten.

Graphen-Transistoren

Ein Graphen-Transistor ist ein nanoskaliges Bauelement, das in drahtlosen Kommunikationsgeräten, elektronischen Textilien, Radarsystemen und faltbaren Smartphones eingesetzt wird.

Der Transistor verwendet Graphen als Halbleitermaterial. Pyrolytischer Graphit spielt bei der Herstellung von Graphen eine wichtige Rolle. Er dient als Vorläufermaterial für die Graphenherstellung.

Der Graphit sorgt auch für ein effizientes Wärmemanagement in Graphen-Transistoren.

Raketendüse

Raketenforscher verwenden pyrolytischen Graphit in Raketendüsen wegen seiner hervorragenden strukturellen Integrität und thermischen Eigenschaften.

Der mit pyrolytischem Graphit beschichtete Hals und die Kammern der Rakete können Temperaturen von mehr als 3.000 °C standhalten. Außerdem erodiert dieser Graphit nicht durch die heißen Gase, die aus der Düse austreten.

Das Air Force Rocket Propulsion Laboratory verwendete 1974 in seiner Rakete ebenfalls mit pyrolytischem Graphit beschichtete Kehlkopfeinsätze.

Medizinische Diagnoseinstrumente

Auch in zahlreichen Diagnosegeräten wird pyrolytischer Graphit verwendet.

Es minimiert das Feld der Inhomogenitäten in MRT-Geräten. Daher verbessert es natürlich die Klarheit und Detailgenauigkeit der Magnetfelder.

Aufgrund seiner Biokompatibilität wird die Graphitverbindung auch in Herzschrittmacherkomponenten verwendet.

Pyrolytischer Graphit reagiert nicht mit Körpergeweben und -flüssigkeiten. Folglich brauchen Sie sich keine Sorgen über Komplikationen zu machen.

Elektrochemische Sensoren helfen bei der Überprüfung von Cholesterin und Glukose. Wussten Sie, dass diese Sensoren auch pyrolytischen Graphit verwenden?

Diese Graphitform weist eine hoch leitfähige Oberfläche auf. Daher sorgt sie für einen guten Elektronentransfer und ermöglicht jederzeit eine zuverlässige Ablesung.

Darüber hinaus hilft ihre Korrosionsbeständigkeit den elektrochemischen Sensoren, verschiedenen biologischen Umgebungen standzuhalten.

Elektrochemisch

Aufgrund seiner herausragenden chemischen Stabilität und elektrischen Leitfähigkeit eignet sich pyrolytischer Graphit für verschiedene elektrochemische Anwendungen. Er dient als Elektrodenmaterial in verschiedenen elektrochemischen Zellen, wie Kondensatoren und Batterien.

Dieser Graphit unterstützt die schnelle Übertragung von Elektronen zwischen der Elektrode und dem Analyten. Dadurch hilft er beim Nachweis von Neurotransmittern.

Röntgenröhren

Eine Röntgenröhre wird in der industriellen Inspektion und in der medizinischen Bildgebung eingesetzt. In diesen Röhren wird pyrolytischer Graphit als Trägermaterial für die Zielanode verwendet. Die Anode dient dazu, die kinetische Energie der beschleunigten Elektronen in Röntgenstrahlen umzuwandeln.

Während dieses Prozesses kann die Anode überhitzen. Glücklicherweise leitet die hohe Wärmeleitfähigkeit von pyrolytischem Graphit die bei der Röntgenproduktion entstehende Wärme ab. Dadurch wird die Lebensdauer der Röhre verlängert.

Laserlicht

Mehrere Unternehmen haben pyrolytischen Graphit in Laserlichtsystemen verwendet. Diese Verbindung zeichnet sich durch besondere optische und thermische Eigenschaften aus, die es ihr ermöglichen, dem intensiven Laserstrahl standzuhalten.

Unter 2012hat eine Forschergruppe in Japan nachgewiesen, dass pyrolytischer Graphit auf Laserlicht reagiert. Sie untersuchten auch, dass die Verbindung auf natürliches Sonnenlicht reagiert, indem sie sich in Richtung des Feldgradienten bewegt.

Bei Laserstrahl-Dumps wird dieses Graphit verwendet, um Laserenergie zu absorbieren und Wärme schnell abzuleiten. Das Gerät wird verwendet, um überschüssige Energie von Laserstrahlen zu absorbieren.

Lasergravursysteme verwenden auch pyrolytischen Graphit als Substrat. Da dieser Graphit resistent gegen Laserabtrag ist, gewährleistet er präzise Lasermarkierungen und -schnitte.

Darüber hinaus werden in leistungsstarken Laseranlagen auch Spiegel aus pyrolytischem Graphit verwendet. Diese Spiegel reflektieren Laserstrahlen, ohne durch hohe Temperaturen beeinträchtigt zu werden.

Schlussfolgerung

Dies ist ein ausführlicher Leitfaden über pyrolytischen Graphit. Alles in allem können wir sagen, dass diese Graphitform ein vielseitiges Material ist. Seine anisotropen elektrischen Eigenschaften, seine Wärmeleitfähigkeit und seine hohe Temperaturbeständigkeit machen ihn ideal für eine Vielzahl von Anwendungen. 

Verschiedene Branchen haben es auf unterschiedliche Weise genutzt. In den kommenden Jahren werden wir seine Verwendung in verschiedenen anderen modernen Technologien und Innovationen sehen

Wir hoffen, dass dieser umfassende Leitfaden Ihnen ausreichende Informationen über pyrolytischen Graphit liefert.