Effet de β

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12287 (2022) Citer cet article

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Les blocs de carbone haute densité possèdent d'excellentes propriétés mécaniques, thermiques et électriques. En particulier, ces blocs sont appliqués dans divers domaines tout en conservant d'excellentes propriétés physiques même dans des environnements difficiles. Dans cette étude, du coke sans liant fabriqué dans certaines conditions a été utilisé pour former des corps verts (GB) dans diverses conditions de pression de 50 à 250 MPa, et les corps ont été carbonisés pour former un bloc de carbone (CB) à haute densité. Ensuite, l’effet des groupes fonctionnels résine β et oxygène du coke sans liant sur les propriétés mécaniques du bloc de carbone haute densité en fonction de la pression de moulage a été pris en compte. Lors du moulage à une pression inférieure à 200 MPa, le rapport O/C (O/C) a un effet plus important, et plus le O/C est grand, plus les propriétés mécaniques sont élevées. En revanche, lors d'un moulage à une pression élevée de 250 MPa, la teneur en résine β a un effet plus important et augmente régulièrement lorsque la teneur en résine β est faible et lorsque les propriétés mécaniques sont suffisamment réduites. En particulier, dans le cas du CB-N7A3-250, qui présente la teneur en résine β la plus élevée de 3,7 % en poids, la densité était de 1,79 g/cm3, la résistance à la flexion était de 106 MPa et la dureté Shore était de 99 HSD.

Les blocs de carbone haute densité sont beaucoup plus légers que les métaux et possèdent d'excellentes propriétés mécaniques, thermiques et électriques. En particulier, ils conservent d’excellentes propriétés physiques même dans des environnements difficiles, tels que des températures ultra-élevées, des pressions élevées et une composition chimique. En conséquence, les blocs de carbone à haute densité sont utilisés dans les automobiles, les avions, les fusées, etc., pour améliorer le rendement énergétique et sont également utilisés dans divers matériaux de dissipation thermique, matériaux d'isolation thermique, matériaux de protection contre les interférences électromagnétiques (EMI), etc. ... grâce à leurs excellentes caractéristiques électriques et thermiques1,2,3,4,5,6.

Les matières premières destinées à la production de blocs de carbone à haute densité peuvent être divisées en matières primaires et binaires en fonction de leur nombre. Premièrement, les microbilles de mésocarbone (MCMB) sont un exemple typique de matériaux primaires, qui sont des substances auto-frittables et peuvent être moulées sans avoir besoin de liants supplémentaires7,8,9. En effet, il contient volontairement des liants appelés résine β. La résine β peut être définie à partir de la différence de solubilité selon le type de solvant et fait généralement référence à la différence de solubilité entre la quinoléine et le toluène. En d’autres termes, une substance soluble dans la quinoléine et insoluble dans le toluène est appelée résine β10. Ces substances ont une phase fluide et peuvent remplir l'espace vide entre les phases solides et les attacher étroitement. De plus, un retrait de volume est provoqué lors du frittage et la densité peut être augmentée11,12,13. D'autre part, étant donné que les matériaux binaires ne contiennent pas de résine β, des liants sont absolument nécessaires lors du moulage, et les matériaux représentatifs comprennent des matériaux carbonés hautement cristallins tels que le coke d'aiguille et le graphite . Ces matériaux sont carbonisés puis imprégnés pour améliorer leurs propriétés mécaniques3,8. De plus, des nanotubes de carbone (CNT), des fibres de carbone, du noir de carbone, etc. sont ajoutés pour améliorer des propriétés physiques spécifiques, telles que la conductivité électrique et la conductivité thermique16,17,18,19,20.

A partir de ces matières premières, un corps vert est produit par pressage à froid ou à chaud. Ensuite, un bloc de carbone haute densité est fabriqué par un processus de carbonisation tout en étant traité thermiquement de 800 à 1 500 °C et un processus de graphitisation tout en étant traité thermiquement à plus de 2 000 °C21.

L’un des plus gros problèmes dans le processus de fabrication des blocs de carbone est le phénomène de gonflement22. Le gonflement se produit en libérant rapidement des matières volatiles dans le corps vert et des pores se forment23. En raison du phénomène de gonflement, la porosité augmente et les propriétés mécaniques diminuent. Par conséquent, de nombreuses recherches ont été menées pour prévenir ce problème. Mochida et coll. ont rapporté que la matière première était stabilisée par oxydation avant le moulage, que l'éprouvette n'était pas déformée même à des températures élevées, que les matières volatiles étaient éliminées afin de supprimer le gonflement, puis que le moulage et le traitement thermique étaient effectués4,25,26,27. De plus, Ragan et al. du coke d'aiguille oxydé pour donner un groupe hydroxyle, un groupe carbonyle, un groupe carboxyle, etc. qui peuvent contribuer à la force de liaison, mélangé avec un brai de liant de goudron de houille et soumis à un moulage et à un traitement thermique. Ensuite, il a été rapporté que la quantité de groupes fonctionnels oxygène et la quantité d'oxygène échappé étaient comparées en fonction du degré d'oxydation du coke d'aiguille, et que des propriétés mécaniques élevées apparaissaient lorsque le coke d'aiguille était moulé avec le plus grand nombre de groupes fonctionnels d'oxygène . De plus, les composants volatils des substances à faible molécule peuvent être éliminés par traitement thermique sous vide29.