عنصر کربن به سه صورت الماس، گرافیت و زغال در طبیعت موجود میباشد. کربن دارای خواص بسیار عالی نسوزنندگی مانند مقاومت به ترشوندگی در برابر سرباره و هدایت حرارتی بالا میباشد. کربن به دو صورت افزودنی و بایندر (قیر، قطران یا رزین) یا بهعنوان اگریگیت اصلی در نسوزهای کربنی استفاده میشود. افزودن کربن به ماده نسوز جهت تأمین خواص ویژهای مانند افزایش هدایت حرارتی و بهبود مقاومت به شوک حرارتی انجام میشود. مقاومت به شوک حرارتی کربن ناشی از هدایت حرارتی بالای کربن و ضریب انبساط حرارتی پایین آن میباشد. عدم ترشوندگی کربن نیز از نفوذ سرباره به ماده نسوز محافظت بهعمل میآورد. همچنین حضور کربن میزان خوردگی اکسید آهن را به دلیل احیای آن به آهن فلزی کاهش میدهد.
منابع تأمینکننده کربن برای فرآوردههای نسوز
۱- گرافیت (Graphite)
گرافیت شکلی از کربن است که به صورت لایههایی از کربن روی هم قرار گرفته و این لایهها بهراحتی روی هم لغزیده و باعث نرمی این ماده میشوند. وجود الکترون در بین لایههای کربن این ماده را به هادی جریان الکتریکی تبدیل کرده است. گرافیت به دلیل خواص حرارتی و مکانیکی استثنایی، نقطه ذوب بالا (حدود ۳۸۰۰ درجه سلسیوس)، هدایت حرارتی بالا و مقاومت به شوک حرارتی، یکی از منابع اصلی تأمین کربن در نسوزهای حاوی کربن محسوب میشود.
۲- کربن سیاه (Carbon Black)
کربن سیاه به صورت ذرات کروی حدود ۳۰ نانومتر از سوخت ناقص هیدروکربنها تحت شرایط کنترلشده بهدست میآید. استفاده از کربن سیاه باعث افزایش دانسیته، استحکام، شوکپذیری و مقاومت به خوردگی در فرآوردههای نسوز میشود. ترکیب نانوکربن با گرافیت نتایج بهتری نسبت به استفاده گرافیت خالص ایجاد میکند.
۳- گرافیت انبساطیافته
گرافیت منبسطشده از تشعشع گرافیت اسیدیشده در برابر امواج مایکروویو تولید میشود و دارای هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، مقاومت به خوردگی و تراکمپذیری بالا است.
۴- نانولولههای کربنی (CNT)
نانولولههای کربنی به دلیل اندازه بسیار کوچک و سطح ویژه بالا، فضای خالی بین ذرات نسوز را پر کرده و تشکیل فازهای سرامیکی مانند سیلیکون کاربید را در دماهای پایینتر ممکن میسازند و موجب افزایش دانسیته و خواص مکانیکی میشوند.
۵- گرافن
گرافن ساختاری دوبعدی با ضخامت یک اتم دارد. حضور گرافن در نسوزهایی مانند آلومینا–کربن به دلیل واکنشپذیری بالا و تشکیل ویسکرهای درجا، موجب افزایش استحکام میشود.
۶- گرافیت فوقمیکرونی (UMCG)
گرافیت فوقمیکرونی از آسیاب گرافیت میکرونیزه بهدست میآید و باعث کاهش دمای تشکیل فاز کاربید سیلیکون و افزایش تراکم و استحکام نسوز میشود.
نسوزهای حاوی کربن
نسوزهای حاوی کربن با استفاده از اگریگیتهای اکسیدی همراه با افزودن کربن یا گرافیت تولید میشوند. کربن در این ترکیبات بهعنوان بایندر، افزودنی یا هر دو عمل میکند. برای جلوگیری از اکسیداسیون کربن در دماهای بالا، از آنتیاکسیدانتهایی مانند Al، Si، AlSi، B4C و ZrB2 استفاده میشود.
اصلیترین چالش این نسوزها مقاومت پایین کربن به اکسیداسیون در دماهای بالا و انحلال کربن در فولاد است که با استفاده همزمان از منابع مختلف کربنی و افزودنیهای مناسب کنترل میشود. نسوزهای حاوی کربن به دو دسته نسوزهای بازی و غیربازی تقسیم میشوند و در برخی سیستمها اگریگیت و بایندر هر دو از کربن تشکیل شدهاند.
