Wie ist die Mikrostruktur (Kristallstruktur) von graphitisiertem Petrolkoks beschaffen?

I. Eigenschaften der Kristallstruktur

Schichtstruktur: Die Kristallstruktur von graphitisiertem Petrolkoks besteht aus planaren Netzwerken hexagonal angeordneter Kohlenstoffatome. Diese Netzwerke sind Schicht für Schicht übereinander gestapelt und bilden so die typische Schichtstruktur. Die Schichten sind durch relativ schwache Van-der-Waals-Kräfte verbunden, welche dem Graphit Gleitfähigkeit und Anisotropie verleihen.
Gitterkonstanten: Nach der Graphitisierung nähern sich die Gitterkonstanten (a₀ und c₀) von Petrolkoks denen von Naturgraphit an, was auf eine hohe Ähnlichkeit ihrer Kristallstrukturen hinweist. Diese Struktureigenschaft verleiht graphitiertem Petrolkoks eine ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit.
Mikrokristalline Parameter: Mithilfe der Röntgenbeugung lassen sich Parameter wie der Schichtabstand (d₀₀₂), der mittlere Schichtdurchmesser (Lₐ) und die Stapelhöhe (Lc) der Mikrokristalle in graphitisiertem Petrolkoks berechnen. Diese Parameter geben Aufschluss über Größe und Anordnung der Mikrokristalle und dienen als wichtige Indikatoren zur Beurteilung des Graphitisierungsgrades.

II. Auswirkungen des Graphitisierungsprozesses

Übergang vom amorphen zum kristallinen Zustand: Vor der Graphitisierung ist die Kohlenstoffstruktur von Petrolkoks amorph und zeichnet sich durch eine „langreichweitig ungeordnete, kurzreichweitig geordnete“ Materialstruktur aus. Durch die Graphitisierungsbehandlung (typischerweise bei hohen Temperaturen zwischen 2500 °C und 3000 °C) wandelt sich der amorphe Kohlenstoff allmählich in eine geordnete dreidimensionale Graphitkristallstruktur um.
Zunahme der Mikrokristallitgröße: Während der Graphitisierung nehmen die durchschnittliche Dicke (Lc) und Breite (Lₐ) der Kohlenstoffgitterlamellen zu, während der Schichtabstand (d) abnimmt. Dies führt zu einer Vergrößerung der Mikrokristallitgröße und einer perfekteren Kristallstruktur.
Verringerung des spezifischen Widerstands: Mit zunehmendem Graphitisierungsgrad sinkt der spezifische Widerstand von graphitisiertem Petrolkoks deutlich. Dies liegt daran, dass sich die Anordnung der Kohlenstoffatome während der Graphitisierung ordnet, wodurch sich die Elektronen innerhalb der Schichtebenen freier bewegen können und somit die elektrische Leitfähigkeit erhöht wird.

III. Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften

Elektrische Leitfähigkeit: Die geschichtete Kristallstruktur von graphitisiertem Petrolkoks ermöglicht die freie Bewegung von Elektronen innerhalb der Schichtebenen, was zu einer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit führt. Diese Eigenschaft macht graphitierten Petrolkoks vielseitig einsetzbar, beispielsweise als Elektrodenmaterial und leitfähiges Additiv.
Wärmeleitfähigkeit: Aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Schichten kann Wärme schnell innerhalb der Schichtebenen transportiert werden. Daher weist graphitierter Petrolkoks auch eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und eignet sich somit für die Herstellung von Wärmeableitungsmaterialien und andere Anwendungen.
Mechanische Eigenschaften: Die Kristallstruktur von graphitisiertem Petrolkoks verleiht ihm eine gewisse mechanische Festigkeit. Im Vergleich zu metallischen Werkstoffen führt seine Schichtstruktur jedoch zu schwächeren Bindungen zwischen den Schichten, was relativ geringere Biege- und Druckfestigkeiten zur Folge hat. Diese Eigenschaft verschafft graphitisiertem Petrolkoks einen Anwendungsvorteil in Bereichen, in denen er bestimmten Drücken standhalten muss, aber keine hohe Festigkeit erfordert.