熱分解黒鉛について

熱分解黒鉛は、炭化水素ガスが分解してできた多結晶黒鉛である。 この人工化合物の見た目は グラファイト.しかし、数多くのユニークな特性を持っている。そのため、様々な産業で様々な用途に使用されている。 この記事では、熱分解黒鉛についての完全な知識、その特性、およびアプリケーションを提供します。 始めよう。

熱分解黒鉛化合物の概要

熱分解黒鉛は、炭化水素ガスの分解によって生成される黒鉛の一種である。

炭化水素ガスの温度が真空雰囲気中で分解段階に達すると、高度に配向したグラファイト層が形成される。

普通の黒鉛と違うのは、その結晶構造である。天然黒鉛とは異なり、炭素原子が組織化されている。その上、極めて 異方.

その特徴を学んでみよう。

熱分解黒鉛の特徴・特性

熱分解黒鉛は多様な特性を備えている。以下の特性により、この黒鉛は多くの産業で応用されている。

高い熱伝導性

熱分解黒鉛は、その強い共有結合により、高い面内熱伝導率で知られている。

室温では2000W/m・Kに達する。この品質は、ヒートスプレッダーやヒートシンクのような製品に理想的です。

高い導電性

熱分解黒鉛は異方性であり、層状構造を特徴とする。その結果、優れた電気の流れを支える。この黒鉛の電子は、結合した炭素原子に沿って容易に移動する。

高温耐性

熱分解黒鉛は非常に高い温度に耐えることができる。熱力学的に安定した炭素である。その結果、高温でも化学構造を保持する。この化合物は、非酸化性雰囲気中、3500℃の温度でも問題なく機能する。

化学的安定性

熱分解黒鉛は化学的に不活性である。室温では、ほとんどの酸、アルカリ、溶媒に反応しない。幅広い化学的攻撃に耐えることができる。そのため、原子力技術者はこれを原子炉に使用している。

機械的強度

熱分解黒鉛は重量が軽い反面、機械的強度はそこそこある。面内引張強さは20～40MPaである。

摩擦係数

熱分解黒鉛は、特に無潤滑状態での摩擦係数が無視できるほど小さい。そのため、摩擦の低減が重要な用途に使用されています。

シーリング、ベアリング、さまざまな摺動部品に使用されているのがおわかりいただけるだろう。

熱分解黒鉛はどのようにして作られるのか？

熱分解グラファイトは化学気相成長法で作られる。技術者は極端な温度で炭素原子を基板上に薄く蒸着させる。

その全過程を順を追って学んでいこう。

炭化水素ソースの選択

まずメーカーは、熱分解黒鉛を製造するための炭素含有ガスを選択する。このガスには、メタン、アセチレン、プロパンがある。このガスは、黒鉛構造を作るための炭素源として働く。

基板の形成

ガスが決まったら、今度は適切な基板を探さなければならない。一般的に、メーカーは基板にグラファイトを好む。高温に耐えられるからだ。基板は炭素原子をグラファイト構造に定着させる。

CVD（化学気相成長）プロセス

炭化水素ガスは炉に放出される。炉の温度は200～300℃である。

この極端な温度によって、ガスは炭素と水素の成分に分解される。水素は廃棄物として放出され、炭素原子は基板表面に蓄積する。

沈殿

炭素原子の堆積は、圧力が制御されているため、薄い層で起こる。この炭素原子の層が熱分解黒鉛の秩序ある構造を作り出す。

原子が層状に整列しているため、熱分解黒鉛は異方性となる。

冷却

炭素原子の層ごとの蒸着は、冷却プロセスに続いて行われる。

現在、製造業者は黒鉛を炉から取り出し、希望の形状にすることができる。

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製造工程全体において、厳格な品質管理が行われている。これにより、熱分解黒鉛が必要とされる電気的および熱的特性を有することが保証されます。

アプリケーション 

原子炉

世界中の発電および原子力関連企業が、原子炉設計の減速材として熱分解黒鉛を使用している。

について AGR イギリスのMAGNOXガス冷却炉はその典型例である。

熱分解黒鉛は異方性炭素であるため、高温ガス炉や高速炉に使用される。黒鉛は熱衝撃や化学薬品に強いため、原子力産業に適している。

減速材として、黒鉛は核分裂反応中の中性子を減速させ、原子炉の完璧な運転を助ける。

原子力技術者は、熱分解黒鉛を構造材料の製造にも使用する。熱分解黒鉛は核燃料粒子をコーティングする。

ガス冷却炉では、燃料は三構造等方性粒子に封入される。この黒鉛のコーティングが燃料を保護する。

また、バリアとして機能し、放射性物質から原子炉を保護する。このグラファイトは、1,000℃を超える高温でも構造的完全性を失わない。

バッテリー

電池メーカーは熱分解黒鉛をさまざまな方法で使用している。熱分解黒鉛は現代の電池技術において大きな役割を担っている。 

リチウムイオン電池も、その優れた電気伝導性と熱安定性により、このグラファイトを採用している。

これらの電池は、充放電サイクルの間、このグラファイトをリチウムイオンのホストとして使用する。

さらに、メーカーはこのグラファイトをリチウム二次電池の負極として使用している。

熱分解グラファイトの層状構造は、リチウムイオンを層間にインターカレートさせる。その結果、エネルギー貯蔵のための可逆的なメカニズムが生まれる。

他の負極材とは異なり、このグラファイトは高温や化学反応に耐えることができる。そのため、過酷な条件下でもバッテリーを機能させることができる。このようなバッテリーは、EVや航空宇宙分野で一般的である。

燃料電池技術

燃料電池技術において重要な役割を果たしている。熱分解黒鉛シートはその好例である。

燃料電池内のこれらのシートは温度を維持し、廃熱を放散する。高温になる固体酸化物燃料電池は、このグラファイトの熱管理に依存している。

グラフェン・トランジスタ

グラフェン・トランジスタは、無線通信機器、電子テキスタイル、レーダーシステム、折りたたみ可能なスマートフォンなどに使用されるナノスケールのデバイスである。

トランジスタはグラフェンを半導体材料として使用する。熱分解グラファイトは、グラフェンの製造において重要な役割を果たしている。グラフェン製造の前駆物質としての役割を果たす。

グラファイトはまた、グラフェン・トランジスタの効率的な熱管理を保証する。

ロケットノズル

ロケット科学者がロケットノズルに熱分解黒鉛を使用するのは、その優れた構造的完全性と熱特性によるものである。

熱分解黒鉛でコーティングされたロケットのスロートとチャンバーは、3,000℃を超える温度に耐えることができる。さらに、この黒鉛はノズルから排出される高温のガスによっても侵食されない。

空軍ロケット推進研究所も1974年、熱分解黒鉛をコーティングしたスロートインサートをロケットに使用した。

医療診断ツール

また、多くの診断機器に熱分解黒鉛が使用されていることにお気づきだろう。

MRI装置内の不均一磁場を最小化する。そのため、磁場の鮮明さと詳細さが自然に向上する。

その生体適合性から、グラファイト化合物はペースメーカー部品にも使用されている。

熱分解黒鉛は、体組織や体液と反応しません。そのため、合併症の心配はありません。

電気化学センサーはコレステロールやグルコースのチェックに役立つ。このセンサーにも熱分解グラファイトが使われていることをご存知だろうか？

このグラファイトフォームは、導電性の高い表面を特徴としている。そのため、電子伝達が確実に行われ、常に信頼性の高い読み取りが可能です。

さらに、その耐腐食性は、電気化学センサーがさまざまな生物学的環境を維持するのに役立つ。

電気化学

優れた化学的安定性と電気伝導性により、熱分解黒鉛は様々な電気化学用途に適している。コンデンサーやバッテリーなど、様々な電気化学セルの電極材料として使用されている。

このグラファイトは、電極と被分析物間の電子の素早い移動をサポートする。その結果、神経伝達物質の検出に役立つ。

X線管

X線管は工業検査や医療用画像診断に使用される。これらの管は、ターゲット陽極の裏打ち材として熱分解黒鉛を利用している。陽極は、加速された電子の運動エネルギーをX線に変えることを目的としている。

この過程で陽極が過熱することがある。ありがたいことに、熱分解黒鉛の高い熱伝導率は、X線製造中に発生する熱を分散させる。そのため、X線管の寿命が延びる。

レーザー光線

熱分解グラファイトをレーザー光線システムに使用している企業は数社ある。この化合物は、強力なレーザー光に耐えることができる独特の光学的・熱的特性を備えている。

で 2012日本の研究グループは、熱分解グラファイトがレーザー光に反応することを実証した。また、この化合物が自然の太陽光に反応し、電界勾配の方向に移動することも調べた。

レーザービームダンプは、このグラファイトを使用してレーザエネルギーを吸収し、熱を素早く放出する。レーザービームから過剰なエネルギーを吸収するために使用される。

レーザー彫刻システムには、基材として熱分解グラファイトも使用されている。このグラファイトはレーザーアブレーションに耐性があるため、正確なレーザーマーキングと切断が可能です。

これに加えて、強力なレーザー・セットアップに熱分解グラファイト・ミラーを使用していることにもお気づきだろう。これらのミラーは、高温の影響を受けることなくレーザービームを反射する。

結論

これは、熱分解黒鉛についての詳細なガイドである。熱分解黒鉛は、あらゆる用途に使用できる素材である。異方的な電気特性、熱伝導性、耐高温性により、幅広い用途に適しています。 

さまざまな産業で、さまざまに利用されている。今後数年のうちに、他のさまざまな最新技術やイノベーションで利用されるようになるかもしれない。

この包括的なガイドが、熱分解黒鉛に関する適切な情報を提供することを願っている。