แผ่นกราไฟต์แบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ แผ่นกราไฟต์ที่ทำจากแอสฟัลต์ แผ่นกราไฟต์ที่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) และแผ่นกราไฟต์ที่ทำจากวิสโคส เนื่องจากวัตถุดิบที่ใช้แตกต่างกัน การใช้งานหลักคือใช้เป็นวัสดุเก็บความร้อนและฉนวนสำหรับเตาหลอมซิลิคอนผลึกเดี่ยว ในอุตสาหกรรมเคมี สามารถใช้เป็นวัสดุกรองสำหรับสารเคมีกัดกร่อนที่มีความบริสุทธิ์สูงได้
แผ่นใยคาร์บอนผ่านกระบวนการให้ความร้อนสูงกว่า 2000 องศาเซลเซียสภายใต้สภาวะสุญญากาศหรือบรรยากาศเฉื่อยเพื่อเปลี่ยนเป็นแผ่นใยกราไฟต์ ซึ่งมีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าแผ่นใยคาร์บอนทั่วไป โดยมีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 99% ผลิตภัณฑ์แผ่นใยกราไฟต์เริ่มวางจำหน่ายทั่วโลกในช่วงปลายทศวรรษ 1960 แผ่นใยกราไฟต์แบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ แผ่นใยกราไฟต์ที่ทำจากแอสฟัลต์ แผ่นใยกราไฟต์ที่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ และแผ่นใยกราไฟต์ที่ทำจากวิสโคส เนื่องจากวัตถุดิบที่ใช้แตกต่างกัน
ในบรรดาวัสดุเหล่านั้น แอสฟัลต์ซึ่งเป็นตัวแทนโดยบริษัท Kureha Chemical ของญี่ปุ่นถือเป็นวัสดุหลักในอุตสาหกรรมฉนวนกันความร้อน แผ่นใยฉนวนกันความร้อนของยุโรปและอเมริกาโดยพื้นฐานแล้วทำจากวิสโคส ในขณะที่แผ่นใยฉนวนกันความร้อนในประเทศส่วนใหญ่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ กระบวนการผลิต: ตัดแผ่นใยคาร์บอนที่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์หรือวิสโคสให้ได้ขนาดที่ต้องการ ม้วนเป็นทรงกระบอก แล้วใส่ลงในภาชนะที่ทำจากวัสดุกราไฟต์ นำภาชนะกราไฟต์ไปวางในเตาเผาอุณหภูมิสูง (เตาเผาอุณหภูมิสูงคือเตาเผาท่อกราไฟต์ เตาเหนี่ยวนำความถี่กลาง ความถี่สูง หรือเตาเผาอุณหภูมิสูงอื่นๆ ที่มีรูปแบบการให้ความร้อน) และใช้ระบบสุญญากาศหรือก๊าซเฉื่อยบริสุทธิ์สูงในการป้องกันเพื่อให้ความร้อนถึง 2200-2500℃ ด้วยอัตราการให้ความร้อน 100-300℃/ชั่วโมง แล้วปล่อยให้เย็นลงตามธรรมชาติจนถึง 100℃
แผ่นกราไฟต์ที่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์มีความแข็งแรงกว่าและมีคุณสมบัติในการต้านอนุมูลอิสระที่ดีกว่าแผ่นกราไฟต์ที่ทำจากวิสโคส แต่มีความยืดหยุ่นต่ำ มีความหนาแน่นสูง และมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนความร้อนที่ดี นอกจากความบริสุทธิ์สูง ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และไม่หลอมเหลวของกราไฟต์แบบบล็อกแล้ว ยังมีข้อดีในด้านความยืดหยุ่น การพับ การตัด และการเย็บตามต้องการด้วยเส้นใยกราไฟต์ การใช้งานหลักของแผ่นกราไฟต์คือเป็นวัสดุฉนวนความร้อนสำหรับเตาหลอมซิลิคอนผลึกเดี่ยว ในอุตสาหกรรมเคมี สามารถใช้เป็นวัสดุกรองสำหรับสารเคมีกัดกร่อนที่มีความบริสุทธิ์สูง แผ่นกราไฟต์สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิประมาณ 3000°C ภายใต้สภาวะบรรยากาศที่ไม่เกิดออกซิเดชัน
คุณสมบัติหลักของแผ่นกราไฟต์
1. การนำไฟฟ้า
การนำไฟฟ้าของแผ่นกราไฟต์เกิดจากโครงสร้างจุลภาคที่ประกอบด้วยเส้นใยกราไฟต์ และกราไฟต์เองก็เป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม แผ่นกราไฟต์สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ภายใต้สภาวะความต้านทานต่ำ จึงเป็นที่นิยมอย่างมากในการใช้งานทางเคมีไฟฟ้า
2. ทนต่ออุณหภูมิสูง
แผ่นกราไฟต์มีคุณสมบัติทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม และโดยทั่วไปจะคงตัวในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 2000°C ในสภาพแวดล้อมสุญญากาศหรือก๊าซเฉื่อย อุณหภูมิที่ทนต่อการออกซิเดชันจะยิ่งสูงขึ้นไปอีก ดังนั้น การใช้งานแผ่นกราไฟต์ในงานที่มีอุณหภูมิสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เช่น วัสดุฉนวนกันความร้อน หรือวัสดุบุผนังเตาอบชุบความร้อน
3. ความเสถียรทางเคมี
แผ่นกราไฟต์มีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนทางเคมีได้ดีเยี่ยม และสามารถคงสภาพเสถียรในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด ด่าง หรือสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนทางเคมีอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดเข้มข้น เช่น กรดซัลฟิวริกและกรดไฮโดรฟลูออริก คุณสมบัติการทนต่อการกัดกร่อนนี้ทำให้สามารถนำไปใช้ในเครื่องปฏิกรณ์เคมีและถังเก็บต่างๆ ได้
4. ความหนาแน่นต่ำและความพรุนสูง แผ่นกราไฟต์มักมีความหนาแน่นต่ำและมีรูพรุนสูง ทำให้มีน้ำหนักเบามาก อีกทั้งยังมีคุณสมบัติในการซึมผ่านและการดูดซับก๊าซที่ดี โครงสร้างที่มีรูพรุนสูงทำให้แผ่นกราไฟต์มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยในการขนส่งอิเล็กตรอนและการแลกเปลี่ยนวัสดุในปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า
5. ประสิทธิภาพการเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดี โครงสร้างที่มีรูพรุนของแผ่นกราไฟต์ทำให้มีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ค่าการนำความร้อนต่ำสามารถลดการนำความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แผ่นกราไฟต์จึงมักถูกใช้เป็นวัสดุฉนวนเพื่อควบคุมความร้อนในอุปกรณ์หรือระบบ
6. ความยืดหยุ่นเชิงกล แม้ว่ากราไฟต์จะเป็นวัสดุที่เปราะ แต่โครงสร้างแบบแผ่นของกราไฟต์เฟลต์ก็ให้ความยืดหยุ่นเชิงกลที่ดี สามารถแปรรูปเป็นรูปทรงและขนาดต่างๆ เพื่อให้เหมาะสมกับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน ในขณะเดียวกัน ความยืดหยุ่นของมันยังทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานร่วมกับวัสดุอื่นๆ อีกด้วย
| ปริมาณคาร์บอน |
- |
99 |
| เถ้า |
- |
0.1 |
| ความหนาแน่นของร่างกาย |
กรัม/ซม³ |
0.1 |
| พื้นที่ผิวจำเพาะ |
ตร.ม./กรัม |
2.648 |
| อัตราการหลุดร่วงของผ้าสักหลาด |
มิลลิกรัม/ความรู้สึกต่อกรัม |
1.95 |
| อัตราการออกซิเดชัน |
การลดน้ำหนัก/ชั่วโมง ที่อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียส ในอากาศ |
0.6 |
| ความพรุน |
- |
95 |
| ความต้านทานแผ่น |
โอห์ม∙ซม. ² |
0.1 |
| ความคลาดเคลื่อนของความหนา |
มม. |
±7.5% |
| ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน |
โดยส่วนใหญ่พิจารณาจากการทดสอบประสิทธิภาพเซลล์เดี่ยวที่ 80mA/cm ² |
87% |
| ประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้า |
80mA/cm ² |
85% |
การใช้งานหลักของแผ่นกราไฟต์
1. การประยุกต์ใช้งานทางเคมีไฟฟ้า แผ่นกราไฟต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาเคมีไฟฟ้า โดยเฉพาะในเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์อิเล็กโทรไลต์ ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ และอุปกรณ์อื่นๆ: ขั้วไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง: ในเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน สามารถใช้แผ่นกราไฟต์เป็นวัสดุขั้วไฟฟ้าได้ เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าสูงและความสามารถในการแพร่กระจายของก๊าซ จึงสามารถส่งเสริมการส่งผ่านและปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าของไฮโดรเจนหรือออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เซลล์อิเล็กโทรไลต์: แผ่นกราไฟต์ใช้เป็นวัสดุขั้วแคโทดหรือแอโนดในการใช้งานอิเล็กโทรไลต์บางประเภท ค่าการนำไฟฟ้าและความเสถียรทางเคมีช่วยให้กระบวนการอิเล็กโทรไลต์มีประสิทธิภาพสูงและทนทาน ซูเปอร์คาปาซิเตอร์: เนื่องจากมีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และคุณสมบัติการนำไฟฟ้า แผ่นกราไฟต์จึงถูกใช้เป็นวัสดุขั้วไฟฟ้าสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อช่วยให้การจัดเก็บพลังงานมีประสิทธิภาพ
2. สาขาการอบชุบด้วยความร้อนอุณหภูมิสูง แผ่นกราไฟต์มักใช้เป็นวัสดุฉนวนกันความร้อนในเตาเผาอุณหภูมิสูง เนื่องจากมีคุณสมบัติทนต่ออุณหภูมิสูงและเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีเยี่ยม: การบุผนังเตาเผาอุณหภูมิสูง: แผ่นกราไฟต์ใช้เป็นวัสดุฉนวนกันความร้อนในเตาสุญญากาศหรือเตาเผาสำหรับกระบวนการทางความร้อนสูง ซึ่งสามารถป้องกันความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อน เตาเผาสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก: ในกระบวนการผลิตวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูง เช่น ซิลิคอนผลึกเดี่ยว แผ่นกราไฟต์มักใช้เป็นชั้นฉนวนเพื่อควบคุมอุณหภูมิระหว่างการเจริญเติบโตของผลึก
3. ป้องกันการกัดกร่อนและการกรอง แผ่นกราไฟต์เฟลต์มีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนและดูดซับได้ดี จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านเคมีและสิ่งแวดล้อม ดังนี้: การกรองก๊าซกัดกร่อน: เนื่องจากมีความทนทานต่อสารเคมีและมีรูพรุนสูง แผ่นกราไฟต์เฟลต์จึงสามารถกรองและทำให้บริสุทธิ์ก๊าซหรือของเหลวที่กัดกร่อนได้ เช่น การดูดซับและการกรองก๊าซกรดซัลฟิวริก การบุผนังเครื่องปฏิกรณ์เคมี: แผ่นกราไฟต์เฟลต์สามารถใช้เป็นวัสดุบุผนังสำหรับภาชนะหรือเครื่องปฏิกรณ์ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนสูง เพื่อป้องกันการกัดกร่อนและปกป้องวัสดุ
4. การบินและอวกาศ แผ่นกราไฟต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เนื่องจากมีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง และเป็นฉนวนกันความร้อน โดยส่วนใหญ่ใช้เป็นชั้นฉนวนกันความร้อนและวัสดุป้องกันอุณหภูมิสูงในเครื่องยนต์จรวด ดาวเทียม และยานอวกาศ
5. พลังงานแสงอาทิตย์และการจัดเก็บพลังงาน คุณสมบัติการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าของแผ่นกราไฟต์ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบผลิตพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์และระบบกักเก็บพลังงาน ตัวอย่างเช่น แผ่นกราไฟต์สามารถใช้เป็นวัสดุดูดซับความร้อนในแผงรับแสงอาทิตย์ และยังสามารถใช้เป็นชั้นนำไฟฟ้าในอุปกรณ์กักเก็บพลังงานได้อีกด้วย
6. สาขาพลังงานนิวเคลียร์ แผ่นกราไฟต์ยังใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในฐานะตัวสะท้อนนิวตรอนความร้อนและวัสดุฉนวนอุณหภูมิสูง เพื่อให้มั่นใจถึงเสถียรภาพและความปลอดภัยในการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์
