Graphitisierungsprozess der Graphitelektrode

Die Graphitisierung ist ein Wärmebehandlungsverfahren. In jeder Temperaturstufe der Graphitisierung finden sowohl endotherme als auch exotherme Prozesse statt, die in folgende drei Phasen unterteilt werden können:

Erste Phase (1000–1800 °C): Bei einer höheren Temperatur als beim Rösten werden weitere flüchtige Bestandteile freigesetzt, und alle verbleibenden aliphatischen Ketten, CH- und C=O-Bindungen usw. werden in diesem Temperaturbereich nacheinander aufgebrochen. Auch die Kohlenstoffatome, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und andere Monomere oder einfache Moleküle (CH, CO, CO₂ usw.) zwischen den Schichten der chaotischen Schichtstruktur werden freigesetzt. Die Wärmeaufnahme eines Teils der zufällig verteilten planaren Moleküle, die sich in diesem Temperaturbereich zu Makromolekülen verbinden, ist hauptsächlich die Fortsetzung chemischer Reaktionen. Gleichzeitig finden auch physikalische Prozesse statt, die sich im Verschwinden eines Teils der mikrokristallinen Grenzen äußern. Die ursprüngliche Grenzflächenenergie wird in Form von Wärme freigesetzt und fördert so die Ordnung des hexagonalen Kohlenstoffgitters. Röntgenanalysen zeigen, dass die Stapelung der Kohlenstoffatome in diesem Temperaturbereich deutlich zugenommen hat und sie sich geordnet in einer zweidimensionalen Ebene anordnen. Die Größe der zweidimensionalen Ebene überschreitet nicht 8 nm, und die Makromoleküle befinden sich noch in einer chaotischen Schichtstruktur.

Die zweite Phase (1800–2400 K): In dieser Phase treten zwei Phänomene auf. Erstens gewinnt das System mit steigender Temperatur an Energie. Die Frequenz der thermischen Schwingungen der Kohlenstoffatome erhöht sich, die Amplitude nimmt zu, und die Gitterschicht wandelt sich gemäß dem Prinzip der minimalen freien Energie in eine dreidimensional angeordnete Graphitstruktur um, wodurch sich der Schichtabstand verringert. Gleichzeitig erhöht sich die Amplitude der parallel zur Gitterebene verlaufenden Kohlenstoffatome, und die Versetzungslinien und Korngrenzen auf der Kristallfläche verschwinden allmählich, wodurch latente Wärme freigesetzt wird. Bei 2000 K erreicht die Entropiezunahme des Systems ihren niedrigsten Wert und steigt, wie die Entropiedifferenzkurve in Abbildung (13-6) zeigt, auch oberhalb von 2000 K weiter an. Bei dieser Temperatur weist das Röntgendiffraktionsspektrum des behandelten Graphits zunehmend relativ scharfe (hko)-, (001)- und einige (hkl)-Linien auf, was die Ausbildung einer dreidimensionalen Ordnung belegt. Dies ist ein Ausheilprozess, der innere Energie freisetzt. Eine weitere Parallelreaktion besteht darin, dass bei 2000–2400 K Verunreinigungen Carbide (hauptsächlich Siliciumcarbid) bilden, die sich bei höheren Temperaturen in Metalldampf und Graphit zersetzen. Zusätzlich beginnt Kohlenstoff zu verdampfen, und es treten thermische Defekte auf, wenn man sich 2400 K nähert, was Energie verbraucht. Da diese Prozesse hauptsächlich zwischen 2000 und 2400 K ablaufen, absorbiert das System Wärmeenergie, was sich in einer erneuten Zunahme der Entropieänderung äußert.

Dritte Phase (oberhalb von 2400 K): Bei graphitierbaren Kohlenstoffen wie Petrolkoks und Asphaltkoks wächst die durchschnittliche a-Achsenlänge der Körner bei 2400 K auf 10–150 nm, und die c-Achsenlänge erreicht etwa 60 Lagen (ca. 20 nm). Aufgrund der in der vorherigen Phase erreichten Ordnung schrumpfen die Körner, und die Zwischenräume zwischen den Körnern vergrößern sich. Gemäß dem oben beschriebenen Kornwachstumsmechanismus können sich die Körner selbst bei weiterer Temperaturerhöhung nicht annähern und keine größeren Körner bilden. Das Kornwachstum muss daher durch einen neuen Mechanismus, die Rekristallisation, erfolgen.