Высокотемпературный углеродный войлок используется в печах для термообработки и печах для плавки монокристаллического кремния

Углеродный войлок — это мягкий, пористый, войлочный материал из чистого углерода, состоящий из беспорядочно переплетённых углеродных волокон. Он изготавливается методом укладки волокон и иглопробивания, а затем подвергается высокотемпературной пиролизной обработке, в результате чего его основной элемент — углерод. По сути, это совокупность углеродных волокон, а не цельный кусок углерода, что придаёт ему уникальные комплексные свойства: высокая термостойкость и химическая стабильность углеродных материалов, а также гибкость волокон и отличные теплоизоляционные свойства пористых материалов.
 

В промышленности углеродный войлок часто отличают от графитового войлока (Graphite Felt). Основное различие между ними — температура термообработки:

Углеродный войлок: обычно подвергается карбонизации при температуре от 1000°C до 1500°C, его углеродные атомы имеют беспорядочную слоистую структуру, микроскопически это неграфитизированный углерод.

Графитовый войлок: получается на основе углеродного войлока путём графитизации при высокой температуре от 2200°C до 3000°C. Этот процесс преобразует беспорядочную слоистую структуру в упорядоченную трёхмерную кристаллическую структуру графита.

Таким образом, графитовый войлок обладает более высокой степенью графитизации, лучшей теплопроводностью и электропроводностью, более высокой чистотой и большей жёсткостью, но и стоит дороже. Углеродный войлок же больше ориентирован на отличную теплоизоляцию и экономичность.

Характеристики углеродного войлока

1. Высокая термостойкость

В инертной атмосфере: в вакууме или под защитой инертного газа (например, аргона) углеродный войлок выдерживает температуры до 3000°C без плавления (температура сублимации углерода около 3600°C), являясь одним из самых термостойких известных материалов.

Плохая стойкость к окислению: на воздухе при температуре выше 400°C углерод начинает окисляться и гореть. Поэтому в реальных высокотемпературных применениях его необходимо использовать в вакууме или инертной атмосфере либо покрывать антикоррозионным слоем.

2. Отличная теплоизоляция (низкая теплопроводность)

Углеродный войлок состоит из большого количества беспорядочно расположенных углеродных волокон с множеством пор между ними. Эти поры эффективно препятствуют теплопередаче и конвекции, делая материал превосходным высокотемпературным теплоизолятором. Его теплоизоляционные свойства значительно лучше, чем у традиционных керамических волокон.

3. Низкая теплоёмкость и тепловая инерция

Сам по себе углеродный войлок очень лёгкий, с низкой плотностью (около 0,1-0,2 г/см³), поэтому его теплоёмкость мала. Это означает, что он поглощает и хранит мало тепла, быстро нагревается и охлаждается, что способствует энергосбережению и повышению эффективности контроля температуры в промышленных печах.

4. Хорошая химическая стабильность

За исключением воздействия сильных окислителей (например, кислорода) при высоких температурах, углеродный войлок обладает отличной коррозионной стойкостью к большинству кислот, щелочей, солевых растворов и органических растворителей. При высоких температурах он также не реагирует с большинством расплавленных металлов.

5. Гибкость и обрабатываемость

В отличие от традиционного твёрдого графитового войлока или графитовых плит, углеродный войлок мягкий, легко режется, гнётся и оборачивается в различные сложные формы, что облегчает его установку.

6. Электропроводность

Углерод является хорошим проводником, поэтому углеродный войлок также обладает электропроводностью. Эта характеристика позволяет использовать его непосредственно в качестве нагревательного элемента (при пропускании тока его сопротивление создаёт высокую температуру), что является ключевым элементом многих конструкций вакуумных печей.

Применение углеродного войлока

1. Основной материал для высокотемпературных вакуумных и атмосферных печей

Теплоизоляционные экраны/изоляционные слои: в вакуумных спекательных печах, пайочных печах, карбонизационных печах и термообрабатывающих печах углеродный войлок используется для изготовления теплоизоляционных кожухов, которые отделяют высокотемпературную зону от стенок печи, значительно уменьшая теплопотери и повышая энергоэффективность.

Нагревательные элементы: углеродный войлок формуют в определённые формы (например, стержневые, пластинчатые), пропускают через них низковольтный ток с большим током, и за счёт собственного сопротивления возникает высокая температура, служащая источником нагрева печи.

2. Область выращивания кристаллов

В процессах выращивания монокристаллов кремния (основного материала для фотоэлектрических и полупроводниковых устройств) и сапфира (подложка для светодиодов) используется печь Чохральского (CZ Furnace). Углеродный войлок является ключевой частью тепловой системы (изоляционная клетка, нагреватель, опора тигля и др.), обеспечивая равномерную, стабильную и чистую высокотемпературную среду для роста кристаллов.

3. Аэрокосмическая отрасль

Используется в качестве теплоизоляционного слоя для сопел ракетных двигателей и носовых конусов, защищая от высокотемпературных газовых потоков.

Применяется в системах тепловой защиты (TPS) гиперзвуковых летательных аппаратов как один из материалов для теплозащитного покрытия, защищая от экстремального аэродинамического нагрева при входе в атмосферу.

4. Область новых источников энергии и накопления энергии

Топливные элементы: используется в качестве газораспределительного слоя (GDL), обеспечивая проводимость электронов, диффузию реакционных газов, удаление воды продуктов реакции и поддержку катализаторного слоя.

Проточные батареи: в качестве электродного материала, используя его большую удельную поверхность и отличную электропроводность для электрохимических реакций.

5. Другие промышленные применения

Алюминиевая промышленность: используется для фильтрации расплавленного алюминия с целью удаления примесей.

Спекательные поддоны: применяется в порошковой металлургии для поддержки деталей при высокотемпературном спекании, при этом сам материал не реагирует с деталями.

Производство высокочистого графита: углеродный войлок сам по себе мягкий, но после высокотемпературной графитизации превращается в более плотный и высококачественный твёрдый графитовый войлок.

Почтовый ящик:
gdkaidun@163.com

Телефон/WeChat:
131-3828-6677

Адрес:
Комната 401, корпус 21, улица Кецин 1, улица Юньхай, район Саньшуй, город Фошань, провинция Гуандун