微波膨化对膨胀石墨性能影响研究①

《微波膨化对膨胀石墨性能影响研究①》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、微波膨化对膨胀石墨性能影响研究①　　摘要：本文介绍了微波膨化的机理，并基于微波加热原理分析了微波法对膨胀石墨性能的影响。关键词：微波膨胀石墨膨化机理性能中图分类号：TQ127文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0109-02膨胀石墨是可膨胀石墨膨化后得到的产物，具有优良的物理化学性质，广泛应用于密封、阻燃、润滑、环保、军事和催化等领域[1]。传统的膨化方法是将其置于马弗炉中在800℃～1000℃下进行膨化，但是这种膨化方式加热时间长，膨化过程中电能消耗大。为了克服传统高温膨化法的缺陷，

2、一些新型的膨化方法，如激光，红外线，微波，电流[2]等先后在可膨胀石墨的膨化中得到应用。其中微波法具有操作简单、加热速度快、可控性强、膨化均匀、安全高效等优点[3]，是一种非常具有发展前景的膨化方法，应用范围非常广。目前微波膨化研究侧重于最佳工艺条件的探讨，对微波膨化机理研究较少，在微波对膨胀石墨性能影响分析方面不够深入。本文介绍了微波膨化的机理，并利用微波加热原理分析了微波膨化对膨胀石墨性能的影响。1微波膨化机理9微波法和传统高温膨化法的本质一致，都是通过加热使插入石墨层间的化合物在高温下迅速分解或汽化，产生大量

3、气体，从而使石墨沿C轴方向发生剥离形成膨胀石墨。二者的区别在于加热机制：传统的高温膨化法是通过表面热传导的方式对石墨进行加热，即热源的热量经由石墨表面传入石墨内部使之温度升高，而微波膨化则是通过透入到石墨内的微波与石墨层间的极性分子相互作用转化为热能，从而使石墨内各部分在同一瞬间获得热量而升温[4]。微波加热的基本原理：电介质置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，造成分子的剧烈运动和碰撞摩擦，从而产生大量的热，使得介质温度不断升高[5]，可

4、见加热是由在电磁场中材料的介电损耗引起的。这种加热方式将微波电磁能转变为热能，其能量是通过空间或媒质以电磁波的形式来传递。微波对物质的加热过程与物质内部分子的极化有着密切关系。介质在微波场中的极化表现为对电场电流密度的消耗，介质在微波场中的有效损耗为[6]：（1）为偶极损耗；为界面损耗；为电导损耗；为真空介电常数；ω为角频率；为电导率。微波在加热过程中介质对微波功率的吸收可以表示为：（2）9因而介质在吸收微波电磁能后其升温速率为：（3）因此，根据公式（1～3）可知，采用微波膨化法，腔体内的微波透入石墨内部与石墨层间

5、的极性分子相互作用，使得可膨胀石墨的温度迅速升高，进而发生分解，插入石墨层间的化合物迅速分解、汽化，形成膨胀石墨。2微波膨化对膨胀性能的影响2.1微波对膨胀体积的影响2.1.1微波功率9膨胀石墨是可膨胀石墨在高温下迅速分解或者汽化从而使石墨沿C轴发生剥离产生的，因此可膨胀石墨的膨化必须要有足够的温度。但是对于可膨胀石墨的膨化，仅仅加热到高温并不足以保证能够得到较高的膨胀体积，还必须要有较高的加热速率。如果加热速率过低，层间的插入物质分解和汽化的速度慢，其分解和汽化产物产生的推力较小，使得石墨首先发生程度很低的初始剥

6、离；当温度缓慢升高，层间的插入物质继续分解和汽化，但此时由于石墨已经发生剥离，层间距增大，石墨分解和汽化的产物一部分直接从片层边缘扩散出去，导致沿C轴方向产生的推力降低；当加热到高温时，石墨层间的插入物基本上已经完全分解或汽化，因此较低的加热速率下很难得到较高的膨胀体积。而当加热速率较高时，石墨层间的插入物在很短的时间内迅速分解或者汽化，从而沿C轴方向产生的巨大的推力，使得石墨发生很大程度的剥离。可见加热速率对于可膨胀石墨的膨化至关重要。因此，随着加热速率的提高，膨胀体积逐渐增大。由电磁场理论可知，作为微波加热区的

7、箱体是一个多模谐振腔，该加热区内微波总的耗散功率包含腔体内贮能、充填介质功率损耗和腔壁损耗三部分，由于腔体为金属材质，而对于导电的金属材料，电磁波不能透入其内部而直接被反射，故腔壁对微波的吸收所造成的损耗很小，进入腔体的绝大部分微波能被充填介质吸收耗散[4]，根据文献[7]可知，微波功率和腔体内的电场强度之间的关系为：（4）其中：Emax为电场在腔内空间分布上的最大值；Q为品质因数；P为腔体中的耗散功率；Vc为腔体的体积；ε0为真空介电常数；ω为角频率。当微波设备、实验条件一定时，Q、ω、ε0、Vc为定值，根据由公

8、式（4）分析可知：（5）而微波场中介质的吸收功率正比于E2，所以微波场中介质的吸收功率正比于微波功率，因此微波功率越大，腔体中的电场强度越大，加热过程中可膨胀石墨对微波功率的吸收也越大，加热速率就越高，使得可膨胀石墨在很短的时间达到高温，从而得到膨胀体积较大的膨胀石墨。2.1.2膨化时间9随着膨胀时间的延长，微波场中的可膨胀石墨温度迅速升高，层间化合物不断分