Quelle est la microstructure (structure cristalline) du coke de pétrole graphitisé ?

I. Caractéristiques de la structure cristalline

Structure lamellaire : La structure cristalline du coke de pétrole graphitisé est constituée de réseaux plans d’atomes de carbone hexagonaux. Ces réseaux plans sont empilés couche par couche, formant une structure lamellaire typique. Les couches sont liées par des forces de van der Waals relativement faibles, ce qui confère au graphite ses propriétés lubrifiantes et son anisotropie.
Constantes de réseau : Après traitement de graphitisation, les constantes de réseau (a₀ et c₀) du coke de pétrole se rapprochent de celles du graphite naturel, ce qui indique une grande similarité entre leurs structures cristallines. Cette caractéristique structurale confère au coke de pétrole graphitisé d’excellentes propriétés de conductivité électrique et thermique.
Paramètres microcristallins : La diffraction des rayons X permet de calculer des paramètres tels que l’espacement intercouche (d₀₀₂), le diamètre moyen des couches (Lₐ) et la hauteur d’empilement (Lc) des microcristaux du coke de pétrole graphitisé. Ces paramètres reflètent la taille et l’agencement des microcristaux et constituent des indicateurs importants pour évaluer le degré de graphitisation.

II. Effets du processus de graphitisation

Transition de l'état amorphe à l'état cristallin : Avant la graphitisation, la structure carbonée du coke de pétrole est amorphe, caractérisée par une structure « désordonnée à longue portée, ordonnée à courte portée ». Par traitement de graphitisation (généralement effectué à haute température, entre 2 500 °C et 3 000 °C), le carbone amorphe se transforme progressivement en une structure cristalline de graphite tridimensionnelle ordonnée.
Augmentation de la taille des microcristallites : lors de la graphitisation, l’épaisseur moyenne (Lc) et la largeur (Lₐ) des feuillets du réseau de carbone augmentent, tandis que l’espacement intercouche (d) diminue. Il en résulte une augmentation de la taille des microcristallites et une structure cristalline plus parfaite.
Réduction de la résistivité : La résistivité du coke de pétrole graphitisé diminue significativement avec l’augmentation du degré de graphitisation. En effet, la graphitisation induit une plus grande organisation des atomes de carbone, facilitant ainsi la circulation des électrons au sein des plans des couches et améliorant de ce fait la conductivité électrique.

III. Relation entre la microstructure et les propriétés

Conductivité électrique : La structure cristalline lamellaire du coke de pétrole graphitisé permet aux électrons de se déplacer librement entre les plans des couches, ce qui lui confère une excellente conductivité électrique. Cette propriété rend le coke de pétrole graphitisé largement utilisé dans des domaines tels que les matériaux d’électrode et les additifs conducteurs.
Conductivité thermique : Grâce aux forces de van der Waals qui lient les couches, la chaleur se propage rapidement entre elles. Par conséquent, le coke de pétrole graphitisé présente une bonne conductivité thermique, ce qui le rend adapté à la fabrication de matériaux de dissipation thermique et à d’autres applications.
Propriétés mécaniques : La structure cristalline du coke de pétrole graphitisé lui confère une certaine résistance mécanique. Cependant, comparée aux matériaux métalliques, sa structure lamellaire induit une liaison intercouche plus faible, ce qui se traduit par des résistances à la flexion et à la compression relativement inférieures. Cette caractéristique confère au coke de pétrole graphitisé un avantage dans les applications où il doit résister à certaines pressions sans pour autant exiger une résistance mécanique élevée.