天然微晶石墨基各向同性石墨多层次微观结构的表征

Modern technologies make wide use of isotropic graphite in different fields, including high temperature gas cooled reactor, monocrystalline/polycrystalline silicon growth and electrical discharge machining. Fillers materials are the most important factors that determine the macro physical properties of graphite. Most of the currently commercial isotropic graphites are made of coke. while the natrual microcrystalline graphite has a high degree of graphitization and random crystalite orientation, which make it excellent filler for isotropic graphite. The physical properties (including irradiation performance) of natural microcrystalline graphite based isotropic graphite macroscopic properties is largely different from the existing nuclear graphite. Macroscopic physical properties of polycrystalline graphite are infulenced by each level of structural characters. A full characterization of the multi-level structure of isotropic graphite forms the basis of the establishment of structure-properties relationship. This study intends to establish a method of multi-level structure characterization of isotropic graphite, and apply this method to natural microcrystalline graphite base graphite, in order to explain the formation of isotropic texture. The results of this project will also contribute to the preparation process optimization and the prediction of irradiation performance.

各向同性石墨广泛应用于高温气冷堆慢化、反射层材料，单晶硅/多晶硅生长，电火花加工等高技术领域。骨料是决定多晶石墨结构和性质的重要内因，目前商品化各向同性石墨的骨料大多为焦炭。天然微晶石墨的石墨化度高，晶粒取向随机，是一种很好的各向同性石墨原料。天然微晶石墨基各向同性石墨的宏观性质（包括辐照性能）将在很大程度上不同于现有核石墨。多晶石墨的宏观物理性质由其多层次微观结构综合决定，因此对石墨的多层次微观结构进行详尽的表征是建立各向同性石墨结构-性能关系的基础。本研究拟建立一套针对各向同性石墨制品多层次结构的表征方法，并将其应用于天然微晶石墨制品，解释其各向同性组织结构的形成机理。本项目的研究结果对微晶石墨基各向同性石墨的制备工艺优化和辐照性能的预测将会提供重要的理论依据。

本课题资助期限为1年。. 对各向同性石墨的多层次结构进行详尽的表征是建立结构-性能关系乃至对石墨辐照性能进行预测的基础。在本课题中，选取天然微晶石墨基各向同性石墨作为研究对象，在建立新的表征方法时同时参考一些商品核级石墨。首先将湖南郴州鲁塘产天然微晶石墨做高温提纯处理，并以之为骨料制备各向同性石墨。利用扫描电镜，透射电镜，X射线衍射对提纯前后的微晶石墨做了详细的表征。微晶石墨原矿的石墨化度为88.8%，高温提纯后进一步提高到91.7%，灰分含量392 ppm，已具有很高的纯度。但样品中硼元素的提纯效果尚有待提高。结构表征结果说明微晶石墨颗粒具有近似各向同性的多晶体结构。对微晶石墨与沥青浸润性的研究发现，微晶石墨的高石墨化度高是与沥青浸润的不利因素；另一方面，微晶石墨表面粗糙度高，有大量微晶侧面暴露，有效补偿了高石墨化度带来的负面作用，使得微晶石墨与沥青的浸润能力明显高于石油焦。因此微晶石墨基各向同性石墨在力学性能方面不低于石油焦制品。. 将核石墨的微观结构从宏观到微观划分成“宏观-骨料/粘结剂相-骨料结构-区域结构-石墨微晶”几个层级。微晶石墨基各向同性石墨的宏观热膨胀系数约为3x10^-6/K，低于商品化核石墨，平均石墨化度87.2%。我们成功利用拉曼光谱面扫描法建立了骨料和粘结剂相的组织结构表征方法，可有效区分商品核石墨IG-110和微晶石墨基各向同性石墨的骨料与粘结剂相。针对微晶石墨骨料本身，建立了微观结构模型：微晶石墨中含有一定数量的狭缝孔。石墨片层的尺度通常小于1μm，并由更小的石墨微晶构成，即使石墨化度达到90%以上，石墨微晶中依然含有晶格畸变、位错等缺陷。本课题建立的多层次微观结构表征方法，尤其是拉曼光谱面扫描法，可应用于多种商品化核级石墨，加深对核级石墨微观结构的理解。本课题目前已圆满完成立项时所提出的目标。