Processus de graphitisation d'une électrode en graphite

Le procédé de graphitisation est un traitement thermique. À chaque étape de température du procédé de graphitisation, on observe des processus endothermiques et exothermiques, que l'on peut diviser en trois étapes :

Première étape (1000-1800 °C) : À une température supérieure à celle de la torréfaction, le produit libère davantage de composés volatils. Toutes les chaînes aliphatiques restantes, les liaisons CH, C=O, etc., sont rompues une à une dans cette plage de températures. Les atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote, de soufre et autres monomères ou molécules simples (CH, CO, CO₂, etc.) situés entre les couches de la structure lamellaire chaotique sont également libérés. Le processus d'absorption de chaleur par une partie des molécules planes dispersées aléatoirement, qui s'assemblent en macromolécules dans cette zone de température, correspond principalement à la poursuite de réactions chimiques. Simultanément, des processus physiques interviennent, se manifestant par la disparition partielle des joints de grains microcristallins. L'énergie interfaciale initiale est libérée sous forme de chaleur, ce qui favorise l'organisation du réseau hexagonal de carbone. L'analyse par diffraction des rayons X révèle que, dans cette plage de températures, l'empilement des atomes de carbone a considérablement augmenté et que leur agencement ordonné s'effectue dans un plan bidimensionnel. La taille du plan bidimensionnel ne dépasse pas 8 nm, et les macromolécules sont encore dans une structure en couches chaotique.

Deuxième étape (1800-2400 K) : Deux situations se présentent durant cette étape. Premièrement, à mesure que la température augmente, le système accumule de l’énergie. La fréquence et l’amplitude des vibrations thermiques des atomes de carbone augmentent, et la couche réticulaire se transforme en une structure de graphite tridimensionnelle, sous l’effet de l’énergie libre minimale, tandis que la distance intercouche diminue. Simultanément, l’amplitude des vibrations des atomes de carbone parallèles au plan réticulaire augmente, et les lignes de dislocation et les joints de grains sur le plan cristallin disparaissent progressivement, libérant de la chaleur latente. À 2000 K, l’accroissement d’entropie du système atteint son minimum et se poursuit au-delà de cette température, comme le montre la courbe de différence d’entropie de la figure 13-6. À cette température, le spectre de diffraction des rayons X du graphite traité présente progressivement des raies relativement fines (hk0), (001) et quelques raies (hkl), attestant de l’obtention d’un arrangement tridimensionnel ordonné. Il s’agit d’un processus de recuit libérant de l’énergie interne. Parallèlement, entre 2000 et 2400 K, certaines impuretés génèrent des carbures (principalement du carbure de silicium), qui se décomposent ensuite en vapeur métallique et en graphite à des températures plus élevées. De plus, à l'approche de 2400 K, le carbone commence à s'évaporer et des défauts thermiques apparaissent, ce qui consomme de l'énergie. Ces processus se déroulant principalement entre 2000 et 2400 K, le système absorbe de l'énergie thermique, ce qui se traduit par une nouvelle augmentation de l'entropie.

Troisième étape (au-dessus de 2400 K) : Pour les carbones graphitisables tels que le coke de pétrole et le coke d’asphalte, la longueur moyenne de l’axe a des grains atteint 10 à 150 nm à 2400 K, et la longueur de l’axe c atteint environ 60 couches (environ 20 nm). Du fait de l’ordonnancement observé lors de l’étape précédente, les grains se contractent et les espaces intergranulaires s’élargissent. Conformément au mécanisme de croissance des grains décrit précédemment, même si la température augmente encore, les grains ne peuvent plus se rapprocher suffisamment ni s’agglomérer pour former des grains plus gros. Dès lors, la croissance des grains doit s’effectuer par un nouveau mécanisme : la recristallisation.