熱解炭

熱解炭

熱解炭是碳氫化合物氣體(如丙烷、甲烷等)在高溫爐內經熱解、縮聚等複雜過程使碳沉積在基體(如石墨材料等)上而製成的。熱解炭主要用於製作火箭噴管喉襯、電子管柵極以及炭質心臟瓣膜、炭質骨或關節、核燃料球的塗層等。

熱解炭按生產工藝條件的不同，可分為高溫熱解炭和低溫熱解炭。高溫熱解炭的沉積溫度較高(1800℃以上)，爐內氣體壓力(爐壓)較低(十幾mmHg)，基體一般是靜止的。低溫熱解炭的沉積溫度較低(1500℃以下)，爐壓較高(十幾～760mmHg)，基體有靜止的(如以炭纖維編織物為基體製造的炭—炭複合材料)和非靜止的(如用流化法製造的熱解炭材料)。

1高溫熱解炭

高溫熱解炭具有較強的異向性質，其六角形碳網面與基體表面接近平行。熱解炭的顯微結構與沉積溫度、爐壓、氣體流量等因素有關。一般來說，沉積溫度高易生成細錐狀結構熱解炭：自然表面和橫截面(平行基體表面)呈現菜花狀結構(圖1)；縱截面(垂直基體表面)呈現細錐狀結構(圖2)。在熱解沉積過程中，一種是有新的錐體在不斷地生成(圖3～5)；另一種是錐體自基體表面生成后，能一直長到熱解炭的外表面(圖6)。通常將前者稱為“再生結構”，後者稱為“一次結構”。

沉積溫度低易生成粗錐狀結構熱解炭：自然表面類似於菜花狀(圖7)；橫截面有同心圓狀的裂紋(圖8、9)；縱截面呈現形似扇形的粗錐狀結構(圖10、11)。

當然，在熱解沉積過程中，較大生長點的存在也能生成粗錐狀結構熱解炭，即通常所說的“瘤子”(圖12)。

細錐狀結構熱解炭比較緻密，不分層，質量較好。粗錐狀結構熱解炭易分層，沿六角形碳網面的方向形成裂紋，質量較差。

2低溫熱解炭

2.1流化狀熱解炭

流化狀熱解炭的顯微結構一般呈各向同性、粒狀和柱狀。

各向同性熱解炭的干涉色為紫紅色(圖13)；彼此幾乎平行的線痕與基體表面接近平行(圖14)。在掃描電鏡下，各向同性熱解炭呈現出明顯的球粒狀結構(圖15)。

粒狀結構熱解炭是由尺寸較小的錐狀結構熱解炭隨機堆積而成的，有的錐體形狀比較明顯，有的則不明顯，近似於粒狀(16、17)。柱狀結構熱解炭多生長在由粒狀結構熱解炭構成的球形顆粒的外表面(圖18)，它也是由錐狀結構熱解炭構成的(圖19)。

一般說來，各向同性熱解炭上無明顯的孔隙，粒狀和柱狀結構的熱解炭上均有少量的微孔。

2.2炭—炭複合材料中的熱解炭

炭—炭複合材料中的熱解炭的自然表面上有圓形小突起(圖20、21)，其顯微結構一般分為光滑層、粗糙層和各向同性。

光滑層熱解炭的不同干涉色之間一般無明顯的界限(圖22、23)，或黑白顏色之間無明顯的界限(圖24)。

粗糙層熱解炭的不同干涉色之間常有較明顯的界限(圖25)，或黑白顏色之間界限分明(圖26)。

各向同性熱解炭的干涉色始終呈紫紅色(圖27)。

炭—炭複合材料中的熱解炭的顯微結構與炭纖維附近的氣相成分等因素有關。一般來說，隨著氣相中C/H原子比的減小，熱解炭的結構形態將依照：光滑層→粗糙層→各向同性的順序進行變化。這就是說，在基體(炭纖維編織物)的表層處(C/H比較高)是最容易見到光滑層熱解炭的。

實際上，由於氣相沉積條件的變化或不穩定，在一根纖維絲的表面上常常會有幾種結構形態交替出現，構成所謂帶狀結構的熱解炭(圖28～30)。

在三種結構形態的熱解炭中，粗糙層熱解炭具有易石墨化、強度大、熱導率高，熱膨脹係數低等特點，因此粗糙層熱解炭的抗熱震能力是三種結構形態中的最佳者。