Углеродный войлок: что это такое и как производится

Графитовый или углеродный войлок - это высокотемпературный теплоизоляционный материал, изготовленный из органических волокон, которые последовательно проходят процессы карбонизации и графитации. Благодаря низкоплотной волокнистой структуре, высокой термостойкости и низкой теплопроводности, он широко применяется в высокотемпературных вакуумных установках для большого количества разнообразных технологических процессов: вакуумная закалка, производство полупроводниковых материалов, высокотемпературная пайка, производство твёрдых сплавов, порошковая металлургия и т.п. Материал обеспечивает эффективную теплоизоляцию, химическую стойкость и удобство обработки.

Производство войлока из углеродного волокна начинается с формирования войлочного полотна из органических волокон (ПАН или вискозы). Затем материал проходит стадию карбонизации - нагрев до 800-1200 °C в инертной атмосфере, при котором удаляются летучие вещества и формируется углеродная структура.

Такой материал характеризуется высоким содержанием углерода (от 90%), но его структура остаётся преимущественно аморфной, а количество примесей, в том числе золы - выше, чем у графитизированных материалов.

Для получения графитового войлока проводится графитизация (графитирование) - нагрев до температур в 2200-2400 °C, в результате материал приобретает графитовую кристаллическую структуру, содержание углерода превышает 99%, а количество примесей минимально. Графитовый войлок отличается большей термостойкостью (эксплуатация до 2400 °C в инертной среде), более высокой химической инертностью и стабильностью свойств.

Таким образом, графитизированный войлок - это более совершенная и высокотехнологичная версия углеродного войлока, получаемая дополнительной термической обработкой.

Процесс изготовления

Производство графитизированного углеродного войлока включает пять ключевых этапов, сочетающих традиционные методы карбонизации с дополнительными модификациями для улучшения свойств материала.

1. Подготовка вискозного нетканого полотна

Исходным сырьём служит белое вискозное волокно (на основе целлюлозы). После контроля качества полотно формируют в слои заданной толщины (от 3 до 20 мм) с помощью механического ткацкого оборудования. Этот этап обеспечивает базовую структуру будущего войлока.
2. Карбонизация в инертной атмосфере

Процесс проводится электрических печах сопротивления в атмосфере азота при температуре ~1000 °C. Повышенный нагрев способствует удалению летучих соединений (H₂O, CO₂, NH₃), образованию турбостратного графитоподобного слоя и увеличению содержания углерода до 90-95%.
3. Дополнительная пропитка полимерными составами

После карбонизации материал может быть обработан полимерными смолами, этот метод применяется перед графитизацией для улучшения механических свойств, с последующем повторным обжигом в проходных печах непрерывного действия. Этот этап отсутствует в базовых технологиях и служит для повышения механической прочности и плотности войлока.
4. Высокотемпературная графитизация

Обработка в вакуумных печах при 2000-2400 °C, что формирует кристаллическую графитовую решётку, уменьшает межслойное расстояние до 0.335 нм.
5. Финишная обработка

Механическая резка на форматы и контроль пористости (до 90% пустотного объёма).

Ключевые отличия от классической технологии:

Использование азотной атмосферы на этапе карбонизации, введение дополнительной пропитки полимерными составами - эти модификации позволяют получить материал с улучшенными электрофизическими характеристиками и температурной стабильностью до 2400 °C.