膨張黒鉛シートの強度を向上させる方法は 2 つあります。
まず、グラファイト層の層間滑りに必要な力を増加させます。
第二に、グラファイト結晶構造の欠陥と多孔質ネットワーク特性により、層内に応力集中が発生します。したがって、このストレスを軽減する努力が必要です。
この問題の理由は、膨張黒鉛シートの結合エネルギーが混合型であるという事実にあります。
平面内では、原子は共有結合によって接続されており、その結果、比較的強い結合が生じます。平面間の結合は、より弱い分子結合によって行われます。結晶層の破壊には 2 つの状況があります。1 つは原子の分離で、主に劈開面に沿って脆性破壊を引き起こします。
別のタイプの破損は結晶レベルでのせん断破壊であり、相対的な滑りによって塑性変形と破壊が発生します。膨張黒鉛は、多くの場合、この後者のカテゴリーに分類されます。
グラファイトフレーク上の欠陥や細孔によって引き起こされる応力集中の問題は、高性能の顕微鏡で観察できます。-円形の穴がある場所には亀裂が発生し、引張応力がかかると平行線または応力線が発生します。応力線は穴の周囲に集中します。亀裂の鋭いエッジや四角い穴の角では、重大な応力集中が発生します。したがって、材料の構造欠陥や亀裂を減らし、結晶層の滑りの傾向を最小限に抑えることで、強度を向上させることができます。実際の製造では、バーミキュラグラファイトの量を増やし、樹枝状グラファイトの量を減らすことで、これらの問題のいくつかを解決できます。
ホウ化物を添加すると、層の滑りに対する障害が生じ、層が滑りにくくなります。添加されるホウ素の量は膨張黒鉛の強度に関係します。膨張黒鉛シートの特定のプロセスと配合に対して、追加するホウ素の最適量が存在します。ホウ素は少量でも強度を大幅に向上させます。ホウ素に加えて、親炭素性物質を添加して、炭素マトリックス内に「爪のような」化合物を形成することもできます。-カーボンの網目構造に数本の「釘」を入れることで、層間のずれによるせん断応力を防ぎ、強度を高めます。