Effetto di β

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12287 (2022) Citare questo articolo

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I blocchi di carbonio ad alta densità hanno eccellenti proprietà meccaniche, termiche ed elettriche. In particolare questi blocchi trovano applicazione in svariati ambiti mantenendo ottime proprietà fisiche anche in ambienti gravosi. In questo studio, il coke senza leganti prodotto in determinate condizioni è stato utilizzato per formare corpi verdi (GB) in varie condizioni di pressione comprese tra 50 e 250 MPa, e i corpi sono stati carbonizzati per formare un blocco di carbonio (CB) ad alta densità. Quindi, è stato considerato l'effetto dei gruppi funzionali β-resina e ossigeno del coke senza legante sulle proprietà meccaniche del blocco di carbonio ad alta densità in base alla pressione di stampaggio. Quando si stampa a una pressione inferiore a 200 MPa, il rapporto tra O e C (O/C) ha un effetto maggiore e maggiore è O/C, maggiori sono le proprietà meccaniche. D'altra parte, quando si stampa ad alta pressione di 250 MPa, il contenuto di resina β ha un effetto maggiore e aumenta costantemente quando il contenuto di resina β è basso e quando le proprietà meccaniche sono sufficientemente ridotte. In particolare, nel caso del CB-N7A3–250, che ha il più alto contenuto di resina β pari al 3,7% in peso, la densità era di 1,79 g/cm3, la resistenza alla flessione era di 106 MPa e la durezza Shore era di 99 HSD.

I blocchi di carbonio ad alta densità sono molto più leggeri dei metalli e hanno eccellenti proprietà meccaniche, termiche ed elettriche. In particolare, mantengono eccellenti proprietà fisiche anche in ambienti difficili, come temperature ultra elevate, alta pressione e composizione chimica. Di conseguenza, i blocchi di carbonio ad alta densità vengono utilizzati in automobili, aerei, razzi, ecc., per migliorare l'efficienza del carburante e sono anche utilizzati in vari materiali di dissipazione del calore, materiali termoisolanti, materiali di schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI), ecc. in base alle loro eccellenti caratteristiche elettriche e termiche1,2,3,4,5,6.

Le materie prime per la produzione di blocchi di carbonio ad alta densità possono essere suddivise in materiali primari e binari in base al numero. Innanzitutto, le microsfere di mesocarbonio (MCMB) sono un tipico esempio di materiali primari, ovvero sostanze che hanno autosinterabilità e possono essere stampate senza la necessità di materiali leganti aggiuntivi7,8,9. Questo perché contiene volontariamente materiali leganti chiamati β-resina. La resina β può essere definita dalla differenza di solubilità a seconda del tipo di solvente e generalmente si riferisce alla differenza di solubilità tra chinolina e toluene. In altre parole, una sostanza solubile in chinolina e insolubile in toluene si chiama β-resina10. Queste sostanze hanno una fase fluida e possono riempire lo spazio vuoto tra le fasi solide e attaccarle saldamente. Inoltre, durante la sinterizzazione si verifica una contrazione del volume e la densità può essere aumentata11,12,13. D'altra parte, poiché i materiali binari non contengono resina β, i materiali leganti sono assolutamente necessari durante lo stampaggio e i materiali rappresentativi includono materiali di carbonio altamente cristallini come il coke ad ago e la grafite14,15. Questi materiali vengono carbonizzati e poi impregnati per migliorarne le proprietà meccaniche3,8. Inoltre, vengono aggiunti nanotubi di carbonio (CNT), fibre di carbonio, nero di carbonio, ecc. per migliorare proprietà fisiche specifiche, come la conduttività elettrica e la conduttività termica16,17,18,19,20.

Utilizzando queste materie prime, un corpo verde viene prodotto mediante spremitura a freddo o a caldo. Quindi, un blocco di carbonio ad alta densità viene prodotto attraverso un processo di carbonizzazione durante il trattamento termico da 800 a 1500 °C e un processo di grafitizzazione durante il trattamento termico a oltre 2000 °C21.

Uno dei maggiori problemi nel processo produttivo dei blocchi di carbonio è il fenomeno del rigonfiamento22. Il rigonfiamento avviene rilasciando rapidamente materia volatile nel corpo verde e si formano i pori23. A causa del fenomeno del rigonfiamento la porosità aumenta e le proprietà meccaniche diminuiscono. Pertanto, sono state fatte molte ricerche per prevenire questo problema. Mochida et al. hanno riferito che la materia prima è stata stabilizzata ossidativamente prima dello stampaggio, il provino non si è deformato nemmeno a temperature elevate, la materia volatile è stata rimossa in modo da sopprimere il rigonfiamento e quindi sono stati eseguiti lo stampaggio e il trattamento termico4,25,26,27. Inoltre, Ragan et al. ago-coke ossidato per dare un gruppo ossidrile, un gruppo carbonile, un gruppo carbossilico, ecc. che può contribuire alla forza di legame, miscelato con una pece legante di catrame di carbone e sottoposto a stampaggio e trattamento termico. Quindi, è stato riferito che la quantità di gruppi funzionali dell'ossigeno e la quantità di ossigeno fuoriuscito sono state confrontate in base al grado di ossidazione del coke ad ago e che sono apparse proprietà meccaniche elevate quando il coke ad ago è stato stampato con la maggior parte dei gruppi funzionali dell'ossigeno28. Inoltre, i componenti volatili delle sostanze a basso peso molecolare possono essere rimossi mediante trattamento termico sotto vuoto29.