Grafit
Werkstoff
Grafit – ein innovativer Werkstoff
Die Vorzüge von Grafit liegen auf der Hand und machen ihn damit zu einem attraktiven Werkstoff für die Industrie.
Der Prozessablauf bei der Herstellung von Kohlenstoffgrafiten und Spezialgrafiten entspricht dem eines keramischen Herstellungsverfahrens. Im ersten Prozessschritt werden die eingesetzten Rohstoffe zerkleinert. In Mischaggregaten werden danach die festen Mischungsbestandteile mit Bindemitteln gleichmäßig vermengt und homogenisiert. Für die anschließende Formgebung werden das Strangpressen, das Gesenkpressen sowie das isostatische Pressen verwendet.
Die gepressten Formkörper werden in einem ersten Schritt unter Luftabschluss bei ca. 1.000°C gebrannt. Hierbei werden die Bindemittelbrücken zwischen den Feststoffteilchen erzeugt. Die so hergestellte Hartkohle wird in einem weiteren thermischen Prozessschritt bei ca. 3.000°C in den dreidimensional geordneten Grafit überführt.
Obgleich sie die gleiche chemische Formel haben, sind die Eigenschaften von synthetischem Kohlenstoff und Grafit, von expandiertem Naturgrafit und von Carbonfasern sind extrem unterschiedlich.
Werkstoff
Amorpher Kohlenstoff
Amorpher Kohlenstoff ist temperaturbeständig, elektrisch leitfähig, wärmeleitfähig und verschleißarm.
Formkörper aus amorphem, grobkörnigem Kohlenstoff werden bei thermischen und elektrolytischen Prozessen verwendet, etwa bei der Gewinnung von Aluminium, Silizium, Roheisen, Ferrosilicium oder Phosphor.
Anthrazit und andere Zuschlagstoffe werden mit Steinkohlenteerpech verbunden und als homogene Masse in Form gebracht und einem thermischen Prozess, der Carbonisierung, unterzogen
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Elektrografit
Elektrografit ist extrem temperaturbeständig, sehr gut elektrisch leitfähig, mechanisch belastbar und energieeffizient. Der spezielle kristalline Aufbau von synthetischem Grafit führt zu einzigartigen Eigenschaften.
Grafitelektroden halten als Stromleiter im Lichtbogenofen Temperaturen bis 3.000°C aus.
Grafit–Kathoden widerstehen als Stromleiter elektrochemischer und mechanischer Beanspruchung in der Aluminium-Schmelz-Elektrolysezelle für 5 bis 7 Jahren Temperaturen von knapp 1.000°C. Sie bleiben trotzdem höchst energieeffizient.
Koks und Pech werden vermischt, in Form gebracht und carbonisiert. An die Carbonisierung schließt sich die Graphitierung an. In dieser Hochtemperaturbehandlung bei 2.500°C bis 3.000°C bildet sich das typische Graphitkristallgitter heraus.
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Spezialgrafit
Synthetisch hergestellte Kohlenstoff- und Grafit-Werkstoffe mit einer mittleren Partikelgröße unter einem Millimeter werden als Feinkon- oder auch Spezialgrafite bezeichnet.
Die Möglichkeit, Werkstoffeigenschaften durch die Variationen von Rohstoffen und Herstellungstechnologien gezielt zu beeinflussen, macht Spezialgrafite zu einem unentbehrlichen Schlüsselwerkstoff für viele Anwendungen.
Die Rohstoffe werden aufbereitet und in Mischaggregaten mit kohlenstoffhaltigen Bindemitteln gemischt. Für die anschließende Formgebung stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung: Strangpressen, Vibrationsverdichten sowie Gesenk- oder isostatisches Pressen. Im Anschluss daran werden die gepressten Formkörper unter Luftabschluss gebrannt und grafitiert, mechanisch bearbeitet und eventuell veredelt.
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Expandierter Naturgrafit
Die einzigartigen Eigenschaften des Naturgrafits werden mit expandiertem Grafit für vielfältige Anwendungen erschlossen. Während des Expansionsprozesses behält der Grafit die ihm eigene, sehr gut elektrische und thermische Leitfähigkeit bei.
Ausgangsmaterial für expandierten Grafit ist gut geordneter, hochkristalliner, schuppenförmiger Naturgrafit. Er wird mit einem Einlagerungsmittel in ein Grafitsalz überführt und durch eine nachfolgende Thermoschockbehandlung expandiert.
Die Grafitschuppen vergrößern ihr Volumen dabei um einen Faktor zwischen 200 und 400. Das Grafitexpandat besteht aus lockeren Würmchen. Diese werden anschließend ohne Bindemittel und Füllmittel zum Beispiel zu Platten oder Folien verdichtet.
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Carbonfasern
Eine der zentralen Entwicklungen in der Carbontechologie nach 1945 war neben dem Castner-Verfahren das sogenannte isostatische Pressen, das bis heute im Bereich des Feinkorngrafites zur Anwendungen kommt. Der Wunsch der Anwender nach immer größeren und festeren Grafitbauteilen konnte mit den herkömmlichen Herstellungstechnologien nicht mehr erfüllt werden.
Carbonfasern sind ein moderner Hochleistungswerkstoff. Sie werden in Anwendungen mit hohen mechanischen Anforderungen bei gleichzeitig geringem Gewicht eingesetzt, zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Windindustrie oder in modernen Sportgeräten.
Der Werkstoff ist sehr fest und steif, leicht, elektrisch leitfähig und vielfältig verarbeitbar.
Carbonfasern werden durch Oxidation und Carbonisierung der Chemiefaser Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Dann werden die Carbonfasern je nach Anwendung direkt als Faserbündel, als Gewebe, Gelege oder als mit Harz imprägnierte Halbzeuge (Prepregs) weiter verarbeitet
Isostatisch gepresste Feinkorngrafite werden bis zu Blockgrößen von 2400 x 500 x 400mm hergestellt
Werkstoff
Carbonfaserverstärkter Kunststoff
Carbonfaserverstärkter Kunststoff – CFK – ist aus Carbonfasern und Matrixkomponenten aufgebaut.
Seine Eigenschaften sind sehr fest und steif, gleichzeitig leicht, ermüdungsfest, formstabil und er hat eine hohe Energieaufnahme.
Bei anspruchsvollen Anwendungen in Hochtechnologiebereichen, wo es auch auf hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht ankommt, ist dieser Werkstoff unentbehrlich.
Für die Herstellung von Bauteilen aus CFK gibt es neben dem Laminieren und Pressen von textilen Halbzeugen oder Prepregs verschiedene Injektions-, Pultrusions- und Wickelverfahren. Darüber hinaus existieren für thermoplastische Harzsysteme angepasste Extrusions- und Pressverfahren.
Werkstoff
Carbonfaserverstärkter Kohlenstoff / CFC
Werkstoff
Hart- und Weichfilz
Wann immer höchste Anforderungen an Isolierungseigenschaften gestellt werden, sind Weichfilze aus Kohlenstofffasern unverzichtbar. Zudem finden Weichfilze auch Anwendung als Batteriefilze in Energiespeichern.
Typische Eigenschaften des Materials sind ihre Wärmeleitfähigkeit, die geringe Wärmekapazität, ihre Beständigkeit bei Hochtemperaturen. Zudem sind sie hochrein.
Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kohlenstoff- und Grafitweichfilz sind Filze aus vernadelten Zellulosefasern. Diese werden durch die thermische Behandlung bei 800 – 1000°C in Kohlenstoffweichfilze umgewandelt. Behandelt man die Filze mit noch höheren Temperaturen (>2000°C), nehmen die Kohlenstofffasern zunehmend eine grafitähnliche Struktur an. Man spricht dann von „Grafitweichfilzen“, ohne dass eine echte Grafitstruktur vorliegt.
HARTFILZ
Im Gegensatz dazu sind Hartfilze ein formstabiles Isolationsmaterial mit niedriger Wärmeleitfähigkeit auf Basis von Kohlenstofffasern. Sie eignen sich für Temperaturbereiche größer 800°C in Inertgas- und Vakuumanwendungen.
Typische Eigenschaften des Material ist ihre Formstabilität, die geringe Wärmeleitfähigkeit und Thermoschockbeständigkeit. Außerdem sind sie erosionsfest.
Hergestellt wird Hartfilz durch Mischen und Pressen von Fasergemischen und Bindemitteln wie Phenolharzen. Anschließende werden sie unter Hochtemperaturen bis max. 2.800°C behandelt. Daran anschließend wird der Hartfilz durch mechanische Bearbeitung auf die gewünschten Abmessungen gebracht.
Werkstoff
Die wichtigsten Eigenschaften von Kohlenstoff und Grafitwerkstoffen
Die Vorzüge dieser Werkstoffe kommen insbesondere in der Glasindustrie zum Einsatz:
- Hohe Thermoschockbeständigkeit
- Hohe mechanische Festigkeit und Schlagzähigkeit
- Geringe Härte, dadurch gute Gleiteigenschaften ohne Beeinträchtigung der Glasoberfläche
- Geringe Benetzbarkeit und Klebeneigung durch aufgeschmolzene Gläser
- Ausgezeichnete Korrossionsbeständigkeit
- Hohe Temperaturbeständigkeit
- Speziell auf den jeweiligen Prozess einstellbare Wärmeleitfähigkeit
- Günstige Porosität
- Physiologische Unbedenklichkeit
Weitere Vorteile sind:
- Die Dichte von Graphit liegt je nach Marke zwischen 1,7g/cm³ und 1,9g/cm³.
- Graphit ist nicht schmelzbar, sondern sublimiert bei etwa 3.900 K.
- An der Luft ist Graphit bis ca. 750 K beständig.
- Graphit ist extrem thermoschockbeständig. So sind schnelle Aufheiz- und Abkühlzeiten problemlos möglich.
- Die Wärmeleitfähigkeit von Graphit ist höher als die vieler Metalle und nimmt mit steigender Temperatur ab.
- Der Koeffizient der Wärmeausdehnung von Grafit liegt im Temperaturbereich von 20 – 200°C in der Größenordnung 3-5 x 10-6K-1. Er ist von Marke zu Marke unterschiedlich und von der Temperatur abhängig.
- Im Gegensatz zu den meisten Werkstoffen erhöht sich die Zug-, Druck-, und Biegefestigkeit von Grafit mit steigender Temperatur bis zu 2.700 K und nimmt dann wieder ab.
- Graphit hat bei 2.700 K etwa die doppelte Festigkeit wie bei Raumtemperatur.
Text/Bildquelle: SGL Group – www.sglgroup.com Stefan André
