黒鉛は、特定の条件下、特に高温で空気にさらされると収縮し、酸化して厚みを失うことがある。
しかし、不活性雰囲気中での熱処理により、黒鉛は強度を増し、機械的強度が向上する。
1.酸化と収縮
黒鉛は酸素に弱い。
高温で空気に触れると、500℃付近で酸化が始まる。
この酸化プロセスは、特定の条件下では1日あたり最大1％という急速な質量減少につながる可能性がある。
このような条件に繰り返しさらされると、グラファイトは厚みを失い、最終的には構造的な欠陥につながる。
この収縮は、材料が酸素と相互作用してグラファイト構造を破壊する直接の結果である。
2.熱処理と強化
逆に、黒鉛を不活性雰囲気中で加熱すると、黒鉛化と呼ばれる過程を経る。
この過程では、炭素原子の構造が無秩序な状態から、純黒鉛の完全な3次元結晶へと変化する。
このプロセスでは、グラファイトを3000℃まで加熱する。
これにより、グラフェン分子の小さなドメインが成長し、整列して、より大きくまっすぐな層になる。
この整列と成長によってグラファイトの機械的強度が向上し、温度が上昇するにつれて強くなる。
室温で発生する内部応力は、プロセス温度の上昇とともに減少し、機械的強度の向上にさらに寄与する。
3.デザインと機能性への影響
不活性雰囲気中で加熱するとグラファイトが強度を増すため、設計を小型化し、治具支持システムを少なくすることができる。
このため、工業用途ではバッチサイズを大きくすることができる。
しかし、グラファイトが高温で空気にさらされる環境で使用される場合、表面に酸化ケイ素の保護膜が形成されるため、寿命を延ばすことができる。
この保護膜が温度変動により割れると、酸化防止効果が弱まり、黒鉛棒の抵抗値が上昇する。
4.ハイテク用途での汎用性
まとめると、黒鉛は確かに高温で空気に触れると酸化により収縮する。
しかし、不活性雰囲気中で制御された熱処理を行うことにより、強度を増すこともできる。
収縮や強化の傾向を含む黒鉛の特性は、黒鉛がさらされる条件に大きく依存する。
このため、さまざまなハイテク用途で汎用性の高い材料となっている。
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