கிராஃபைட்டாக்கல் செயல்முறைக்குத் தேவையான வெப்பநிலை என்ன?

கிராஃபைட்டாக்கல் செயல்முறைக்கு பொதுவாக 2300 முதல் 3000℃ வரையிலான உயர் வெப்பநிலை தேவைப்படுகிறது. உயர்-வெப்பநிலை வெப்பச் சிகிச்சையின் மூலம், கார்பன் அணுக்களை ஒழுங்கற்ற அமைப்பிலிருந்து ஒழுங்கான கிராஃபைட் படிக அமைப்பாக மாற்றுவதே இதன் மையக் கொள்கையாகும். கீழே ஒரு விரிவான பகுப்பாய்வு கொடுக்கப்பட்டுள்ளது:

I. வழக்கமான கிராஃபைடைசேஷன் சிகிச்சைக்கான வெப்பநிலை வரம்பு

அ. அடிப்படை வெப்பநிலை தேவைகள்

வழக்கமான கிராஃபைட்டாக்கல் செயல்முறைக்கு வெப்பநிலையை 2300 முதல் 3000℃ வரையிலான வரம்பிற்கு உயர்த்த வேண்டியுள்ளது, இங்கு:

• 2500℃ என்பது ஒரு முக்கியத் திருப்புமுனையாகும், இந்த வெப்பநிலையில் கார்பன் அணுக்களின் அடுக்குகளுக்கு இடையேயான இடைவெளி கணிசமாகக் குறைந்து, கிராஃபைட்டாக்கல் அளவு வேகமாக அதிகரிக்கிறது;
• 3000℃-க்கு மேல், மாற்றங்கள் படிப்படியாக நிகழ்கின்றன, மேலும் கிராஃபைட் படிகம் முழுமை நிலையை அடைகிறது, இருப்பினும், வெப்பநிலையை மேலும் அதிகரிக்கும்போது செயல்திறனில் ஏற்படும் சிறிய அளவிலான மேம்பாடுகளே குறைகின்றன.

B. வெப்பநிலையின் மீது பொருள் வேறுபாடுகளின் தாக்கம்

• எளிதில் கிராஃபைட்டாக்கக்கூடிய கார்பன்கள் (எ.கா., பெட்ரோலிய கோக்): 1700℃ வெப்பநிலையில் கிராஃபைட்டாக்கும் நிலைக்குள் நுழைகின்றன, மேலும் 2500℃ வெப்பநிலையில் கிராஃபைட்டாக்கும் அளவில் குறிப்பிடத்தக்க அதிகரிப்பு காணப்படுகிறது;
• கிராஃபைட்டாக மாற்றுவதற்கு கடினமான கார்பன்கள் (எ.கா., ஆந்த்ரசைட்): இதே போன்ற உருமாற்றத்தை அடைய அதிக வெப்பநிலை (சுமார் 3000℃) தேவைப்படுகிறது.

II. உயர் வெப்பநிலைகள் கார்பன் அணுக்களின் ஒழுங்கமைப்பை ஊக்குவிக்கும் வழிமுறை

அ. கட்டம் 1 (1000–1800℃): ஆவியாகும் உமிழ்வு மற்றும் இரு பரிமாண ஒழுங்குமுறை

• அலிபாடிக் சங்கிலிகள், CH மற்றும் C=O பிணைப்புகள் சிதைவடைந்து, ஹைட்ரஜன், ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன், கந்தகம் மற்றும் பிற தனிமங்களை ஒற்றை மூலக்கூறுகள் அல்லது எளிய மூலக்கூறுகளின் (எ.கா., CH₄, CO₂) வடிவில் வெளியிடுகின்றன;
• இரு பரிமாணத் தளத்திற்குள் கார்பன் அணு அடுக்குகள் விரிவடைகின்றன, நுண்படிகத்தின் உயரம் 1 நானோமீட்டரிலிருந்து 10 நானோமீட்டராக அதிகரிக்கிறது, அதே சமயம் அடுக்குகளுக்கு இடையேயான அடுக்கமைப்பு பெரும்பாலும் மாறாமல் உள்ளது;
• வெப்பம் உறிஞ்சும் (வேதி வினைகள்) மற்றும் வெப்பம் வெளியேற்றும் (நுண்படிக எல்லை மறைவதால் இடைமுக ஆற்றல் வெளிப்படுதல் போன்ற இயற்பியல் செயல்முறைகள்) ஆகிய இரண்டு செயல்முறைகளும் ஒரே நேரத்தில் நிகழ்கின்றன.

B. கட்டம் 2 (1800–2400℃): முப்பரிமாண ஒழுங்குபடுத்தல் மற்றும் தானிய எல்லை சீரமைப்பு

• கார்பன் அணுக்களின் அதிகரித்த வெப்ப அதிர்வு அலைவெண்கள், குறைந்தபட்ச கட்டற்ற ஆற்றல் கொள்கையின்படி, அவற்றை முப்பரிமாண அமைப்புகளுக்குள் நிலைமாறச் செய்கின்றன;
• படிகத் தளங்களில் உள்ள இடப்பெயர்வுகளும் தானிய எல்லைகளும் படிப்படியாக மறைந்துவிடுகின்றன; எக்ஸ்-கதிர் விளிம்புச்சிதறல் நிறமாலைகளில் கூர்மையான (hko) மற்றும் (001) கோடுகள் தோன்றுவது இதற்குச் சான்றாக அமைகிறது, இது முப்பரிமாண ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட அமைப்புகளின் உருவாக்கத்தை உறுதிப்படுத்துகிறது.
• சில மாசுகள் கார்பைடுகளை (எ.கா., சிலிக்கான் கார்பைடு) உருவாக்குகின்றன, அவை அதிக வெப்பநிலையில் உலோக ஆவியாகவும் கிராஃபைட்டாகவும் சிதைவடைகின்றன.

சி. கட்டம் 3 (2400℃-க்கு மேல்): தானிய வளர்ச்சி மற்றும் மறுபடிகமாக்கல்

• தானியப் பரிமாணங்கள் a-அச்சில் சராசரியாக 10–150 நானோமீட்டர் வரையிலும், c-அச்சில் ஏறக்குறைய 60 அடுக்குகள் (சுமார் 20 நானோமீட்டர்) வரையிலும் அதிகரிக்கின்றன;
• கார்பன் அணுக்கள் அக அல்லது மூலக்கூறிடை இடப்பெயர்ச்சி மூலம் படிகக்கூடு செம்மைப்படுத்தலுக்கு உள்ளாகின்றன, அதே சமயம் கார்பன் பொருட்களின் ஆவியாதல் வீதம் வெப்பநிலையுடன் அடுக்குக்குறி முறையில் அதிகரிக்கிறது;
• திண்ம மற்றும் வாயு நிலைகளுக்கு இடையே செயல்மிகு பொருள் பரிமாற்றம் நடைபெற்று, அதன் விளைவாக மிகவும் ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட கிராஃபைட் படிக அமைப்பு உருவாகிறது.

III. சிறப்பு செயல்முறைகள் மூலம் வெப்பநிலை உகப்பாக்கம்

A. வினையூக்க கிராஃபைட்டாக்கல்

இரும்பு அல்லது ஃபெரோசிலிக்கான் போன்ற வினையூக்கிகளைச் சேர்ப்பதன் மூலம், கிராஃபைட்டாக்கல் வெப்பநிலையை 1500–2200℃ வரம்பிற்குக் கணிசமாகக் குறைக்க முடியும். உதாரணமாக:

• ஃபெரோசிலிக்கான் வினையூக்கி (25% சிலிக்கான் உள்ளடக்கம்) வெப்பநிலையை 2500–3000℃ இலிருந்து 1500℃ ஆகக் குறைக்க முடியும்;
• BN வினையூக்கியானது, கார்பன் இழைகளின் திசைப்படுத்தலை மேம்படுத்துவதோடு, வெப்பநிலையை 2200℃-க்கும் கீழே குறைக்கவும் செய்கிறது.

B. மீ உயர் வெப்பநிலை கிராஃபைட்டாக்கல்

அணுசக்தித் தரம் மற்றும் விண்வெளித் தரம் கொண்ட கிராஃபைட் போன்ற உயர் தூய்மைப் பயன்பாடுகளுக்காகப் பயன்படுத்தப்படும் இந்தச் செயல்முறையானது, விளைபொருட்களின் மேற்பரப்பு வெப்பநிலையை 3200℃-க்கும் அதிகமாக அடைவதற்காக, நடுத்தர அதிர்வெண் தூண்டல் வெப்பமூட்டல் அல்லது பிளாஸ்மா வில் வெப்பமூட்டலை (எ.கா., ஆர்கான் பிளாஸ்மா மையத்தின் வெப்பநிலை 15,000℃-ஐ எட்டுதல்) பயன்படுத்துகிறது;

• கிராஃபைட்டாக்கல் அளவு 0.99-ஐத் தாண்டுகிறது, மேலும் அசுத்தங்களின் உள்ளடக்கம் மிகக் குறைவாக உள்ளது (சாம்பல் உள்ளடக்கம் < 0.01%).

IV. கிராஃபைட்டாக்கல் விளைவுகளில் வெப்பநிலையின் தாக்கம்

A. மின்தடைத்திறன் மற்றும் வெப்பக் கடத்துத்திறன்

கிராஃபைட்டாக்கல் அளவில் ஏற்படும் ஒவ்வொரு 0.1 அதிகரிப்பிற்கும், மின்தடைத்திறன் 30% குறைகிறது, மற்றும் வெப்பக் கடத்துத்திறன் 25% அதிகரிக்கிறது. உதாரணமாக, 3000℃ வெப்பநிலையில் பதப்படுத்திய பிறகு, கிராஃபைட்டின் மின்தடைத்திறன் அதன் ஆரம்ப மதிப்பில் 1/4 முதல் 1/5 பங்காகக் குறையலாம்.

பி. இயந்திர பண்புகள்

உயர் வெப்பநிலைகள் கிராஃபைட்டின் அடுக்குகளுக்கு இடையேயான இடைவெளியை ஏறக்குறைய உகந்த மதிப்புகளுக்கு (0.3354 nm) குறைத்து, வெப்ப அதிர்ச்சி எதிர்ப்புத்திறன் மற்றும் வேதியியல் நிலைத்தன்மையை (நேரியல் விரிவாக்க குணகத்தில் 50%–80% குறைப்புடன்) கணிசமாக மேம்படுத்துவதோடு, மசகுத்தன்மை மற்றும் தேய்மான எதிர்ப்புத்திறனையும் அளிக்கின்றன.

சி. தூய்மை மேம்பாடு

3000℃ வெப்பநிலையில், 99.9% இயற்கைச் சேர்மங்களில் உள்ள வேதியியல் பிணைப்புகள் உடைந்து, அசுத்தங்கள் வாயு வடிவில் வெளியேற்றப்படுகின்றன. இதன் விளைவாக, பொருளின் தூய்மை 99.9% அல்லது அதற்கும் அதிகமாகிறது.