Kapitel 1: 1) Anwendungsgebiete von Carbon Black: Reifen Gummi Pigment (Drucker, Kosmetik: Wimperntusche) Batterien 2) Anwendungsgebiete Grobkorngraphit (coarse grain graphite): Stahlerzeugung Aluminiumerzeugung Siliziumerzeugung 3) Anwendungsgebiete Feinkorngraphit (fine grain graphite): Solar LED EDM (electric discharge machining, Funkenerosion) chemical nuclear Halbleiter elektrische Kontakte Metallurgie 4) Anwendungsgebiete Activated Carbon Luftfilter Wasserbehandlung, -reinigung Pharma und Medizin (z.b. Kohletabletten) Supercaps (Kondensatoren) 5) Anwendungsgebiete Naturgraphit Bleistift Schmiermittel Batterie hitzebständige Anwendungen (refractory industry) 6) Anwendungsgebiete expandierter Graphit chemisch beständige Dichtungen Automobilindustrie (Zylinderkopfdichtungen) Klimatisierung (heizbare Decke) Thermomanagement im Elektronikbereich (Heatspreader --> Graphitfolie im Plasma TV) 7) Anwendungsgebiete Carbonfasern Automobilindustrie Luft- & Raumfahrtindustrie Windkraft Sport Medizin civil engineering mechanical engineering
8) Allotropische Modifikationen & Hauptderivate Diamant: cubische Struktur (teils hexagonal) Graphit: hexagonale Struktur (teils rhombisch) Fullerene & Nanotubes 9) Eigenschaften Graphit & Diamant (siehe Folie 18) z.b. Dichte Graphit: 2,266; Diamant: 3,515 sonst bei Graphit sehr abhängig ob senkrecht oder parallel zu den hexagonalen Ebenen!! 10) Naturgraphit: Herstellung Abbau in Minen = Rohgraphit (5-30% C-Gehalt) Flotation --> micro- & makrokristalliner Graphit (97% C-Gehalt) Purification 11) Expandierter Graphit: 4 Arten + Anwendungen exp. Graphit Pulver (Dichte < 1,5 g/cm 3 ) --> Batterien, leitfähige Polymere exp. Graphit Schaum (0,1-0,3 g/cm 3 ) --> gekühlte Zimmerdecke Graphite Foil (<1,3 g/cm 3 ) --> Dichtungen (Auto & chemisch); Heatspeader HD-Foil (bis 1,9 g/cm 3 ) --> Fuel Cell, Redox Flow Battery 12) Gesamtes Marktvolumen: 20 Mrd. (siehe Folie 4) 13) weltweite Produktion von Industriekohlenstoff: (siehe Folie 12) Grobkorn für Aluminium 20.000 t Grobkorn für Stahl 1.300 t Feinkorn 30 t expandierter Graphit 12t Kohlenstofffasern 35 t CFRC 1t C/SiC 0.3 t Wichtige Folien aus Kapitel 1: 4-12, 14, 18, 29, 48, 65, 66, 100 Kapitel 2: 1) nicht-graphitierbare und graphitierbare Kohlenstoffe (Molekülordnung) (siehe Folie 4) keine Ordnung --> nicht graphitierbar (z.b. Phenolharz, Anthrazit) geordnet --> graphitierbar (z.b. Koks, Pech) 2) Welche Koksarten gibt es und deren Eigenschaften (z.b. CTE) Nadelkoks (needle coke) (CTE < 2,5) Anodenkoks (CTE 2,5-3,5) Pechkoks (pitch coke) (CTE >4) metallurgischen Koks (für den Hochofen) (CTE >4)
vgl CTE (Stahl) = 12 3) Wie werden diese Koksarten hergestellt Nadel- und Anodenkoks aus Rohöl Pechkoks und metallurgischen Koks aus Kohle ---> Details siehe Folie 9 4) Einflüsse von Graphitzusätzen in Koks Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit Einfluss auf Dichte, Festigkeit und CTE des Endprodukts Reduziert Graphitierungsschrumpfen (bei erhöhtem Binderbedarf) als Zusatz kann Naturgraphit oder künstlichen Graphit verwendet werden 5) Eigenschaften von green anthracite quasi Edelkohle geringer O/C- & H/C-Verhältnis Ash-content: 2-8% Dichte 1,4-1,8 g/cm 3 Weltproduktion: 380 Mio. Tonnen 6) Vergleich von Binderpech und Imprägnierungspech Binderpech hat höhere Schmelzpunkt (83-115 C) und höherer Viskosität (1.200-4.500) im Vergleich zum Imprägnierpech (65-90 C; 300-1.200) Vgl Viskosität Wasser=1; Honig= 5.000-10.000 7) Menge des Pechs möglichst viel Pech für gute Extrusion, aber möglichst wenig Pech da sonst großer Puffing Effekt beim Brennen 8) Eigenschaften und Anwendungen von Harz als Rohstoff prepregs für CFRC-Produkte Binder for highly graphite filled bipolar plates Rohmaterial für Glassy Carbon Impregnationagents for graphites 9) Welche Spaltprodukte enstehen bei Pyrolyse von Duromerharzen H2 H2O CO CO2 CH4 10) Additive für Synthetischen Graphit (siehe Folie 49 für Gesamtrezeptur ) Fe2O3 als Anti-puffing-agent 11) Graphitherstellungsprozess Koks, Graphit, Anthrazit zerkleinern Mischung mit Binderpech im richtigen Verhältnis Komprimieren und formen durch Extrusion, Vibromoulding oder isostatisches Pressen brennen bei bis zu 1300 C, dann imprägnieren mit Imprägnierpech, erneutes backen. mehrere Iterationen Graphitierung
12) der typical green-process Extrusion Vibromoulding Isostatisches Pressen 13) Baking-process. Phasen des Pechs 30-50% des Binder verflüchtigen sich während des Prozesses--> puffing großes puffing zw. 350-550 C, daher langsames aufheizen mit 0,4-4 K/h Endtemperatur bei 750-1300 C Stage1: 20-250 C Viskosität sinkt, Pechvolumen nimmt bis zu 4,5% zu Stage2: 250-550 C thermische Zersetzung des Pechs. Ausgasen von Schwefel hohes Ausgasen mit bis zu 170liter pro 1liter Werkstoff Stage3: 550-HTT semi-coke evolution H2 entweicht. Material schrumpft. elektrischer Widerstand sinkt 14) Ringofen vs. car-bottom Ofen (Folie 80) Ringofen: weniger Energie, wenig Flexibilität, braucht viel Grundfläche, höhere Brenntemperatur car-bottom Ofen: viel Energie, sehr flexibel, ist kleine abgeschlossene Einheit, geringere Brenntemperatur 15) Baking-process: Zusammenfassung Grund des Brennens: Carbonisieren des Binders nach dem Brennen ist das Produkt nicht schmelzbar Produkte die keine Graphitierung benötigen (z.b. Karbonelektroden) werden direkt weiterverarbeitet 16) Gründe für Imprägnierung Kohlenstoffanteil erhöhen Verstärkung der Stuktur und Verbesserung der Eigenschaften (höhere el./therm. Leitfähigkeit, Dichte und Oxidationsresistenz, verbesserte mechanische Kennwerte) 17) Stationen bei der Graphitierung Calcinierung ~1200 C Puffing ~1400-2000 C Graphitierung > 2400 C 18) Methoden der Graphitierung (Folie 90-92) Castner (lenth-wise): benötigt weniger Energie, Vorgang ist schneller Acheson: höherer Energiebedarf, dauert deutlich länger 19) Graphitierung: Zusammenfassung Transformation: amorphen Kohlenstoff --> kristallinen Graphit Temperaturen >2400 C Bruch des Materials durch Puffing durch langsames Aufheizen und Anti-puffingagents verhindern
Leitfähigkeit und Porosität steigt Volumen, E-Modul, Gewicht, CTE, Festigkeit, Dichte und Widerstand sinkt Wichtige Folien aus Kapitel 2: 3!, 6!, 9!, 25, 39, 47, 49, 51!, 54, 58, 62, 80-81, 83-84, 86, 89-92, 94, 96, 99