Efeito de β

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 12287 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os blocos de carbono de alta densidade possuem excelentes propriedades mecânicas, térmicas e elétricas. Em particular, estes blocos são aplicados em vários campos, mantendo excelentes propriedades físicas mesmo em ambientes agressivos. Neste estudo, coque sem ligante fabricado sob certas condições foi usado para formar corpos verdes (GBs) sob várias condições de pressão de 50 a 250 MPa, e os corpos foram carbonizados para formar um bloco de carbono de alta densidade (CB). Em seguida, foi considerado o efeito dos grupos funcionais resina β e oxigênio do coque sem ligante nas propriedades mecânicas do bloco de carbono de alta densidade de acordo com a pressão de moldagem. Ao moldar a uma pressão inferior a 200 MPa, a proporção de O e C (O/C) tem um efeito maior, e quanto maior o O/C, maiores serão as propriedades mecânicas. Por outro lado, ao moldar a uma alta pressão de 250 MPa, o teor de resina β tem um efeito maior e aumenta constantemente quando o teor de resina β é baixo e quando as propriedades mecânicas são suficientemente reduzidas. Em particular, no caso do CB-N7A3-250, que possui o maior teor de resina β de 3,7% em peso, a densidade foi de 1,79 g/cm3, a resistência à flexão foi de 106 MPa e a dureza Shore foi de 99 HSD.

Os blocos de carbono de alta densidade são muito mais leves que os metais e possuem excelentes propriedades mecânicas, térmicas e elétricas. Em particular, eles mantêm excelentes propriedades físicas mesmo em ambientes agressivos, como temperaturas ultra-altas, alta pressão e composição química. Como resultado, blocos de carbono de alta densidade são usados ​​em automóveis, aeronaves, foguetes, etc., usados ​​para melhorar a eficiência de combustível e também são usados ​​em vários materiais de dissipação de calor, materiais de isolamento térmico, materiais de blindagem de interferência eletromagnética (EMI), etc. .com base em suas excelentes características elétricas e térmicas1,2,3,4,5,6.

As matérias-primas para a produção de blocos de carbono de alta densidade podem ser divididas em materiais primários e binários de acordo com o número. Primeiro, as microesferas de mesocarbono (MCMBs) são um exemplo típico de materiais primários, que são substâncias que possuem autosinterabilidade e podem ser moldadas sem a necessidade de materiais ligantes adicionais7,8,9. Isso ocorre porque ele possui voluntariamente materiais aglutinantes chamados resina β. A resina β pode ser definida a partir da diferença de solubilidade dependendo do tipo de solvente e geralmente se refere à diferença de solubilidade entre quinolina e tolueno. Em outras palavras, uma substância solúvel em quinolina e insolúvel em tolueno é chamada de β-resina10. Essas substâncias têm uma fase fluida e podem preencher o espaço vazio entre as fases sólidas e fixá-las firmemente. Além disso, a contração de volume é causada durante a sinterização e a densidade pode ser aumentada11,12,13. Por outro lado, como os materiais binários não contêm resina β, os materiais aglutinantes são absolutamente necessários durante a moldagem, e os materiais representativos incluem materiais de carbono altamente cristalinos, como coque agulha e grafite . Esses materiais são carbonizados e posteriormente impregnados para melhorar suas propriedades mecânicas3,8. Além disso, são adicionados nanotubos de carbono (CNTs), fibras de carbono, negro de fumo, etc. para melhorar propriedades físicas específicas, como condutividade elétrica e condutividade térmica16,17,18,19,20.

A partir dessas matérias-primas, um corpo verde é produzido por prensagem a frio ou a quente. Em seguida, um bloco de carbono de alta densidade é fabricado através de um processo de carbonização enquanto é tratado termicamente de 800 a 1.500 °C e um processo de grafitização enquanto é tratado termicamente a mais de 2.000 °C21.

Um dos maiores problemas no processo de fabricação de blocos de carbono é o fenômeno do inchamento22. O inchaço ocorre pela liberação rápida de matéria volátil no corpo verde, e poros são formados23. Devido ao fenômeno de inchaço, a porosidade aumenta e as propriedades mecânicas diminuem. Portanto, muitas pesquisas foram feitas para prevenir esse problema. Mochida et al. relataram que a matéria-prima foi estabilizada oxidativamente antes da moldagem, o corpo de prova não foi deformado mesmo em altas temperaturas, a matéria volátil foi removida para que o inchaço fosse suprimido e, em seguida, foram realizados a moldagem e o tratamento térmico4,25,26,27. Além disso, Ragan et al. coque agulha oxidado para dar um grupo hidroxila, um grupo carbonila, um grupo carboxila, etc. que pode contribuir para a resistência da ligação, misturado com um aglutinante de alcatrão de carvão e submetido a moldagem e tratamento térmico. Em seguida, foi relatado que a quantidade de grupos funcionais de oxigênio e a quantidade de oxigênio escapado foram comparadas de acordo com o grau de oxidação do coque de agulha, e altas propriedades mecânicas apareceram quando o coque de agulha foi moldado com a maioria dos grupos funcionais de oxigênio . Além disso, componentes voláteis de substâncias de baixa molécula podem ser removidos por tratamento térmico a vácuo29.