【Wissen über Spezialmaterialien】Struktur und Dichtigkeitsleistung von Dichtungen aus expandiertem Graphit

Thread Content

​Anfang der 1980er Jahre entwickelten sich neue Kohlenstoffmaterialien rasant weiter und spielten eine entscheidende Rolle in vielen industriellen Produktionsprozessen. Sie gelten als die am meisten erforschten Materialien im Bereich der Materialwissenschaften des 21. Jahrhunderts. Es gibt vier häufig vorkommende Arten von Kohlenstoffmaterialien: (1) Kohlenstoffprodukte ； ⑵Kohlenstoffpasten ； ⑶Graphitprodukte ； ⑷Spezielle Graphitprodukte. Diese Materialien weisen gleichzeitig die besonderen Eigenschaften von Keramiken, Metallen sowie Polymermaterialien auf. Aus makroskopischer Sicht kommen verschiedene Strukturen vor – wie faserförmig, körnig, membranartig oder blockartig. Die meisten dieser Materialien sind dicht, während nur wenige porös sind – beispielsweise expandierter Graphit. Dadurch verfügen sie über weitere besondere Eigenschaften. Mit dem Fortschritt der Technologie stellen die moderne Industrie immer anspruchsvollere Anforderungen an Materialien – beispielsweise Hitzestabilität, Korrosionsbeständigkeit, geringes Gewicht, Oxidationsbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften sowie hohe Stabilität. Poröse Kohlematerialien sind Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlichen Mikroporstrukturen. Die Porengrößen reichen von nanoskopisch kleinen Poren bis hin zu mikrometergroßen Poren, die nur für das Wachstum und die Aktivität von Mikroorganismen geeignet sind. Diese einzigartige Mikrostruktur verleiht diesen Materialien besondere Eigenschaften, die über denen anderer Materialien liegen. Zudem erfüllen sie gut die Anforderungen der modernen Technologie. Die Herstellung poröser Kohlematerialien ist außerdem äußerst einfach: Als Ausgangsmaterialien können Kohle, Kokosenschalen oder Teer verwendet werden. Durch physikalische und chemische Verfahren können diese Materialien in poröse Kohlematerialien umgewandelt werden. Dadurch haben sie eine breite Anwendbarkeit. In der industriellen Produktion werden poröse Kohlematerialien häufig als Träger für Aktivatoren und Adsorbentien verwendet und finden breite Anwendung in Bereichen wie Adsorptionsgetrennung, elektromagnetische Abschirmung und Abdichtung. Expansiver Graphit, auch als weicher Graphit bezeichnet, ist ein weiches Graphitmaterial mit einer wurmartigen Mikrostruktur. Er entsteht durch die Oxidation natürlicher Graphitblätter und anschließende Erwärmung bei hohen Temperaturen. Sein Aussehen sowie die Struktur der Oberflächenporen sind in den SEM-Bildern 1-1 und 1-2 dargestellt. Es wurde erstmals im Jahr 1963 von der amerikanischen Firma United Carbonic Corporation (UCC) entwickelt. Die Serienproduktion begann im Jahr 1968, und das Produkt kam 1970 auf den Markt. Somit hat es erst seit einigen Dutzend Jahren eine Existenz. Obwohl die Erforschung einiger seiner Eigenschaften noch in der Anfangsphase ist und es bisher nicht möglich war, sein volles Potenzial auszuschöpfen, hat es seit seiner Erfindung großes Interesse bei Forschern geweckt. Länder auf der ganzen Welt konkurrieren darum, in die Forschung und Entwicklung von expandiertem Graphit zu investieren. Unser Land begann 1978 mit der Forschung, Produktion und Anwendung von expandiertem Graphit. Doch sowohl technisch als auch theoretisch liegt man im Vergleich zu anderen Ländern noch weit zurück. Die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Verbesserung der Struktur und Eigenschaften des expandierten Graphits. Mit der Beschleunigung des Industrialisierungsprozesses in unserem Land wird es sicherlich bessere Voraussetzungen für die systematische Erforschung sowie die großtechnische Produktion von expandiertem Graphit geben. Expansiver Graphit ist ein hochreiner Graphitstoff. Natürlicher Graphit gehört zum hexagonalen Kristallsystem; seine Kristalle haben eine hexagonale Platten- bzw. Blattform. Die Ansammlung dieser Kristalle ergibt eine schuppige Struktur mit einer typischen schichtweisen Gliederung. In derselben Schicht (bezeichnet als α-Richtung) bilden die Kohlenstoffatome kovalente Bindungen – die Bindungsenergie beträgt 586 KJ/mol. Zwischen den Schichten hingegen (in der Richtung, die senkrecht zur α-Richtung verläuft, bezeichnet als c-Richtung), sind die Atome nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden – die Bindungsenergie beträgt 16,7 KJ/mol. Diese dreidimensionale, schichtweise Anordnung führt zu strukturellen Unterschieden zwischen den Schichtrichtungen sowie zwischen den Schichten selbst. Dadurch weist Graphit kristalline Eigenschaften auf, die anisotrop sind – beispielsweise in Bezug auf elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften. Daher weist auch die expandierte Graphitstruktur, eine polymorphe Form von Graphit, diese anisotropen Eigenschaften auf, die bei der Analyse berücksichtigt werden müssen. Die spezielle, lockere und poröse Struktur des expandierten Graphits verleiht ihm eine hohe Kompressibilität sowie Elastizität. Dadurch wird er zu einem immer beliebteren neuen Dichtmaterial, das in vielfältigen Anwendungen zur Herstellung von beweglichen und statischen Dichtungen in Maschinen eingesetzt wird. Insbesondere seit den 1990er Jahren wurde Asbest – ein traditionelles Dichtmaterial, das krebserregend ist – schrittweise verboten. Dies hat die Verwendung von expandiertem Graphit als Dichtmaterial weiter gefördert. Unser Land hat innerhalb von fünf Jahren drei kontinuierliche Produktionslinien aus den USA und Japan eingeführt, um mit dieser neuen Dichtstoffart zu forschen und sie in Serie zu produzieren. Aufgrund des hohen Schwefelgehalts, der hohen Flüchtigkeit sowie der geringen Festigkeit des hergestellten expandierten Graphits sowie aufgrund veralteter Herstellungsverfahren ist die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte auf dem internationalen Markt jedoch gering. Um die Schwächen wie die geringe Festigkeit sowie die Neigung zur Oxidation in der Luft zu überwinden, werden weltweit neue Herstellungsverfahren erforscht sowie Verbundmaterialien aus expandiertem Graphit entwickelt. Dabei wird expandierter Graphit mit Bindemitteln wie HB03 (oder Salzen), H3PO4 (oder Salzen), organischen Silikonen, Harzen usw. kombiniert. In einigen Fällen wird außerdem Säure (oder BaMoO3), Tetrafluoridflüssigkeit usw. verwendet, um die Oxidationsbeständigkeit und Schmierfähigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern. Anwendung und Entwicklung der Dichteigenschaften von expandiertem Graphit: Ende der 1960er Jahre entwickelte das amerikanische Unternehmen Union Carbide Dichtstoffe aus expandiertem Graphit – so entstand die zweite Generation von Dichtstoffen. Im Jahr 1971 führte das Rockwell Valve Engineering Center in den USA zur Lösung des Problems von Leckagen bei Atomkraftanlagen Vergleichsstudien an verschiedenen Arten von Dichtstrukturen durch, die von neun inländischen Unternehmen hergestellt wurden. Die Tests wurden an insgesamt 64 vorgegebenen Standorten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das aus expandiertem Graphit hergestellte Material die beste Dichtwirkung aufweist. Daher haben einige entwickelte Länder wie die USA, Japan und Frankreich umfassende Forschungen zu diesen Dichtungsmaterialien durchgeführt. Dadurch wurde die Entwicklung von expandiertem Graphit als Dichtungsmaterial beschleunigt. So wurde dieses effiziente und energieeinsparende neue poröse Kohlematerial zu einem weltweit viel beachteten Dichtungsmaterial. Seit 1978 begann unser Land, mit der Erforschung von expandiertem Graphit sowie Produkten aus diesen Verbundmaterialien zu beschäftigen. In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung in diesem Bereich ebenfalls sehr schnell entwickelt. Huang Zhuoming und seine Kollegen untersuchten die Anwendung von weichem Graphit in den dynamischen Dichtungen von Pumpen. Sie konnten nachweisen, dass Dichtungen aus weichem Graphit den herkömmlichen Dichtstoffen wie Ölgetränkten Stoffen, Asbestdichtungen sowie Gummidichtungen überlegen sind. Zudem weist weicher Graphit eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie chemische Stabilität gegenüber Laugen, schwacher Schwefelsäure, konzentrierter Schwefelsäure sowie organischen Lösungsmitteln auf ； Jiang Fang untersuchte die Verteilung des Drucks des Dichtflüssigkeitsstroms bei Einsatz von expandiertem Graphit als Füllmaterial. Dabei stellte er fest, wie die Anzahl, Struktur, Größe sowie Steifigkeit der Füllringe die Kurve der Druckverteilung im Zusammenhang mit dem Leckagenrisiko beeinflussen. Zudem schlug er vor, Füllringe mit unterschiedlicher Dichte, aber gleichen Spezifikationen, in derselben Dichtkassette zu verwenden, um eine bessere Verteilung des Drucks im Zusammenhang mit den Leckagen zu erreichen ； Gu Boqin und seine Kollegen untersuchten die Hochtemperaturleistungen von Dichtungen aus flexiblem Graphit und Edelstahl. Die Experimentierergebnisse zeigten, dass die Kompression der Dichtungen mit zunehmender Testtemperatur sowie mit steigendem Druck auf die Dichtung zunimmt. Die Elastizität der Dichtungen nimmt hingegen mit steigender Temperatur ab. Die Kompressions- und Elastizitätskurven weisen eine nichtlineare sowie nichtkonservative Struktur auf. Zudem bestehen diese Dichtungen aus Metall und Nichtmetallen – auch bei Raumtemperatur tritt Creep auf, wobei das Ausmaß des Creeps mit steigender Temperatur zunimmt ； Zhou Tingnian und seine Kollegen erreichten durch Behandlung von expandiertem Graphit, das in einer Zuckersirup-Lösung getränkt worden war, bei hohen Temperaturen das Ziel, Kohlenstoff in die Struktur zwischen den Graphitschichten einzubringen. Dadurch verbesserten sich die Kompressionseigenschaften des expandierten Graphits. Zudem wurde vorgeschlagen, dieses mit Kohlenstoff angereicherte Material als Basis zu verwenden, um zusammen mit Edelstahlfäden Verbundmaterialien herzustellen – dadurch ließe sich die Zugfestigkeit um etwa 40 % erhöhen ； Nach mehrjährigen Forschungen hat die Henan Metallurgische Ausrüstungs-Gesellschaft neue Fortschritte in der Technologie der planaren Dichtungen aus expandiertem Graphit erzielt. Dadurch wurde die Zuverlässigkeit der Dichtungen verbessert, es kam zu einer Erneuerung der Dichtmaterialien für hohe Temperaturen – mit dem Ziel, die Produktion zu steigern und Ressourcen zu sparen. Als neuartiges funktionales Kohlenstoffmaterial entsteht erweitertes Graphit (Expanded Graphite, abgekürzt EG) durch das Aufschichten von natürlichen Graphitschuppen, deren anschließendes Waschen, Trocknen sowie Erhitzen zur Erzeugung einer lockeren, porösen, wurmartigen Struktur. EG verfügt neben den hervorragenden Eigenschaften des natürlichen Graphits wie Wärme- und Kältebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie Selbstschmierfähigkeit auch über Eigenschaften, die beim natürlichen Graphit nicht vorhanden sind: Weichheit, Kompressionselastizität, Adsorptionsfähigkeit, Übereinstimmung mit dem ökologischen Umfeld, Biokompatibilität sowie Strahlungsbeständigkeit. Bereits Anfang der 1960er Jahre entdeckte Brodie durch das Behandeln von natürlichem Graphit mit chemischen Reagenzien wie Schwefelsäure und Salpetersäure sowie anschließendes Erhitzen den expandierten Graphit. Seine Anwendung begann jedoch erst ein Jahrhundert später. Seitdem wurden zahlreiche Arbeiten zur Forschung und Entwicklung von expandiertem Graphit durchgeführt, wodurch bedeutende wissenschaftliche Durchbrüche erzielt wurden. Seit der Methode zur Herstellung von expandiertem Graphit erstmals im Jahr 1963 von der amerikanischen Firma United Carbonic Corporation (UCC) entwickelt wurde, wird expandierter Graphit aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften von Wissenschaftlern weltweit intensiv untersucht. Um diese Eigenschaften noch weiter zu verbessern, wurden auch die Herstellungsverfahren stetig weiterentwickelt. Dadurch werden die Herstellungsprozesse immer einfacher und die dabei entstehende Verschmutzung immer geringer. Es gibt Bestrebungen, eine Herstellungsmethode zu finden, bei der keine Umweltbelastung entsteht, kein Schwefel enthalten ist und die Produkte eine hohe Festigkeit aufweisen. Im Folgenden wird kurz auf einige gängige Herstellungsverfahren eingegangen: (1) Chemische Oxidation – Die chemische Oxidation ist die traditionelle Methode zur Herstellung von expandierbarem Graphit in der industriellen Produktion. Wenn die Heiztemperatur etwa 100 °C erreicht hat, wird der Oxidationsmittel in einem bestimmten Verhältnis mit konzentrierter Schwefelsäure zu einer Oxidsäurelösung vermischt. Natürlicher Schuppengraphit wird anschließend in diese Lösung getaucht, sodass die Sulfat-Ionen aus der Lösung zwischen die Graphitschichten eindringen und sich mit den oxidierten Kohlenstoffatomen verbinden. Nach einer Weile wird die Mischung gewaschen und getrocknet – so entsteht expandierbarer Graphit. Durch Erhitzung bei hohen Temperaturen erhält man schließlich den expandierten Graphit. Beim Anwenden dieser Methode muss jedoch beachtet werden, dass Faktoren wie die Einweichzeit, das Verhältnis von Oxidationsmittel zu Interkalationsmittel, die Menge des Oxidationsmittels sowie die Temperatur während der Ausdehnung alle den Ausdehnungseffekt beeinflussen. Zum Beispiel führt eine zu geringe Menge an Oxidationsmittel dazu, dass die Reaktionen zwischen den Schichten des Graphits unvollständig ablaufen. Dadurch wird das für eine vollständige Ausdehnung erforderliche Maß an Oxidation nicht erreicht. Andererseits kann eine zu hohe Menge an Oxidationsmitteln dazu führen, dass der Graphit übermäßig oxidiert wird – auch in diesem Fall wird das gewünschte Ausdehnungsergebnis nicht erzielt. Die Reaktionsgleichung für diese Methode lautet: (2) Elektrochemische Methode – Die Tsinghua-Universität sowie die Guanghua-Chemiefabrik in Nangong verwenden die elektrochemische Methode zur Herstellung von dehnbarem Graphit. Dadurch werden nicht nur die Produktionskosten und die Umweltbelastung verringert, sondern auch die Produktqualität verbessert. Bei dieser Methode wird das ausgewählte Hilfsanodenmaterial mit Graphit zu einer Anodenkammer vermischt. Anschließend wird diese Mischung in eine Elektrolytlösung getaucht, in der ein geeigneter Elektrstrom fließt. Nach einer bestimmten Zeit der Oxidation wird die Mischung wieder herausgenommen, gewaschen und getrocknet – so entsteht expandierbarer Graphit. Durch Erhitzung bei hohen Temperaturen erhält man schließlich das expandierte Graphitmaterial. Der durch diese Methode hergestellte expandierte Graphit weist im Allgemeinen einen niedrigen Schwefelgehalt auf. Es ist nicht notwendig, weitere Oxidationsmittel hinzuzufügen; es reicht aus, die elektrochemischen Parameter wie Stromstärke und Spannung anzupassen, um den Verlauf der Reaktion zu steuern. Dadurch wird eine einfache und kontrollierbare Massenherstellung von expandiertem Graphit möglich. Allerdings hat diese Methode auch ihre Nachteile. Zum Beispiel ist die für die Reaktion benötigte Zeit länger und die Kosten höher. (3) Bei der Methode des Lösungsaustauschs lässt sich anhand der Reaktionsgleichung (1-1) erkennen, dass das aus dem herkömmlichen Verfahren der chemischen Oxidation gewonnene expandierte Graphit einen hohen Schwefelgehalt aufweist. Der Schwefelgehalt beeinflusst die Lebensdauer des Materials. Deshalb sollte der Schwefelgehalt im Material so weit wie möglich verringert werden. Dun Huijuan und ihre Kollegen tauchen das aus traditionellen Verfahren hergestellte expandierbare Graphitmaterial in eine Lösung ein, die aus einer Mischung von Oxalsäure und Salpetersäure besteht. Dabei findet folgende Reaktion statt: Durch diese Reaktion dringen einige Oxalat-Ionen sowie Oxalsäuremoleküle in das Graphit ein und ersetzen dabei einige Sulfat-Ionen sowie Sulfatmoleküle. Dadurch **sinkt der Schwefelgehalt des expandierbaren Graphitmaterials.** (4) Hinzufügen von nicht-säurehaltigen Einbettstoffen: Nicht-säurehaltige Einbettstoffe können zwischen die Graphitschichten eindringen und dort teilweise die Schwefelsäure ersetzen. Dadurch wird der Schwefelgehalt des expandierbaren Graphits verringert. Wang Shenmin und seine Kollegen fanden mithilfe von geringen Mengen an konzentrierter Schwefelsäure sowie Kaliumpermanganat als Oxidationsmittel sowie geringen Mengen an Eisen(III)-chlorid als Additiv geeignete Bedingungen zur Herstellung von schwefelarmem, dehnbarem Graphit. Der Herstellungsprozess ist einfach, die Reaktionsgeschwindigkeit hoch, und es kommt zu geringer Umweltbelastung. Zudem sind die mechanischen Eigenschaften, die Wärmeabgabe sowie der Schwefelgehalt – also die wichtigsten Eigenschaften dieses Produkts – besser als bei ähnlichen Produkten aus dem In- und Ausland. Song Keming und seine Kollegen haben schwefelfreien expandierbaren Graphit hergestellt, wobei Kaliumpermanganat und ähnliche Oxidationsmittel verwendet wurden, sowie eine Mischung aus konzentrierter Säure und Propionsäure als Einbettstoff. F. Kang synthetisierte in Formiatlösung schwefelfreien expandierbaren Graphit. In den Schichten dieses expandierbaren Graphits finden sich nur Elemente wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Nach der Expansion besteht das Material fast ausschließlich aus Kohlenstoff. Diese Methode bietet somit eine praktikable Möglichkeit zur Herstellung von hochreinem, korrosionsfreiem, flexiblem Graphit. Eigenschaften von expandiertem Graphit: Expandierter Graphit entsteht durch chemische Behandlung natürlicher Graphitschuppen, wodurch diese bei hohen Temperaturen kurzfristig erweitert werden. Es verfügt nicht nur über die hervorragenden chemischen Eigenschaften von natürlichem Graphit, sondern auch über zahlreiche einzigartige mechanische Eigenschaften. Es handelt sich somit um ein ideales Dichtmaterial mit breitem Anwendungsbereich und guten Dichteigenschaften. Die wichtigsten Eigenschaften sind wie folgt: (1) Dichte: Durch Erwärmung dehnen sich die Graphitschuppen aus, wodurch expandierter Graphit entsteht, der eine lockere, poröse mikroskopische Struktur aufweist. Seine Schichtdichte liegt in der Regel bei 0,002–0,005 g/cm³, während die Dichte des fertigen Produkts bei 0,8–1,8 g/cm³ liegt. Dadurch ist es leichter und weist eine bessere Formbarkeit auf ； (2) Reinheit: In Produkten aus expandiertem Graphit ist der Kohlenstoffgehalt am höchsten. Der feste Kohlenstoffgehalt kann bis zu etwa 98 % betragen. Bei einigen besonders behandelten Materialien aus expandiertem Graphit kann der Kohlenstoffgehalt sogar über 99 % liegen. Dadurch können die hohen Anforderungen vieler Industriezweige an eine hohe Reinheit der Dichtstoffe erfüllt werden. (3) Stabilität: Theoretisch können Produkte aus expandiertem Graphit bei Temperaturen zwischen -200 °C und 3000 °C eingesetzt werden. Als Dichtstoff können sie sicher bei Temperaturen zwischen -200 °C und 800 °C verwendet werden. Es garantiert, dass es bei niedrigen Temperaturen weder brüchig noch veraltet wird und bei hohen Temperaturen weder weich wird, sich nicht verformt noch zersetzt. Außerdem weist expandierter Graphit einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, was seine Stabilität erhöht und es ihm ermöglicht, auch unter Bedingungen hoher Temperaturen sowie plötzlicher Temperaturschwankungen eine gute Dichtigkeit zu gewährleisten. (4) Strahlentoleranz: Unter langfristiger Bestrahlung mit Neutronen, Gamma-Strahlen, Alpha-Strahlen, Beta-Strahlen usw. ändert es sich nicht wesentlich. (5) Undurchlässigkeit: Die lockere, poröse Struktur sorgt für eine große Oberfläche, wodurch sich sehr dünne Gas- und Flüssigkeitsschichten bilden können. Dadurch wird die Penetration von Stoffen verhindert. Der Material ist daher gegenüber vielen Gasen und Flüssigkeiten gut undurchlässig. (6) Selbstschmierfähigkeit: Der expandierte Graphit behält seine plane, schichtförmige Struktur der natürlichen Graphitschuppen bei. Unter äußeren Kräften können die Schichten relativ zueinander gleiten, wodurch eine Selbstschmierung entsteht. Dadurch wird ein Abnutzen der Achsen oder Ventilstangen effektiv verhindert. (7) Korrosionsbeständigkeit: Expansivgraphit weist eine stabile chemische Inertie auf. Abgesehen von starken Oxidationsmitteln wie Konzentriertes Salpetersäure, Schwefelsäure sowie Halogenen kann er den meisten Säuren, Laugen, Salzlösungen, Meerwasser, Dampf sowie organischen Lösungsmitteln standhalten. (8) Kompressibilität und Elastizität: Expansionsgraphitprodukte weisen mikroskopisch gesehen viele komprimierbare, geschlossene kleine Hohlräume auf. Unter dem Einfluss äußerer Kräfte können sie komprimiert werden. Gleichzeitig verleihen die in diesen kleinen Hohlräumen vorhandenen Luftmoleküle ihnen eine gute Elastizität. (9) Flexibilität: Expandierter Graphit ist leicht und flexibel, lässt sich leicht verarbeiten. Er kann mit gewöhnlichen Werkzeugen geschnitten werden, außerdem kann er nach Belieben gerollt oder gebogen werden – dadurch entstehen viele verschiedene Formen des Endprodukts. Forschung und Fortschritte bezüglich expandiertem Graphit sowie seiner Verbunddichtungsmaterialien: Expandierter Graphit entsteht durch bestimmte physikalisch-chemische Verarbeitungsmethoden an natürlichem Graphit. Seine mikroskopische Kristallstruktur ist identisch mit der des gewöhnlichen Graphits. Daher weist er alle Eigenschaften des Graphits auf. Zudem verfügt er über eine große Oberflächenfläche sowie eine hohe Oberflächenaktivität. Es ist nicht notwendig, irgendwelche Bindemittel hinzuzufügen oder den Material bei hohen Temperaturen zu sintern – das Material kann direkt gepresst werden. Gedämpfte Graphitkörner werden in einem druckvollen Gerät zu langen, schmalen Platten oder Bändern gepresst. Anschließend werden diese Platten oder Bänder umgewickelt und im Formwerkzeug unter Druck geformt. So können verschiedene Arten von Bauteilen für mechanische Dichtungen hergestellt werden – wie z. B. Graphiktüten, Graphiltreiberringe, aus Graphit gefertigte Umwicklungen für Edelstahl sowie Graphitkompositplatten mit Wellenzähnen. Zudem kann Graphit auch zu Platten oder zur Herstellung von Graphikgeräten verwendet werden. Doch aufgrund des Nachteils, dass die mechanische Festigkeit von expandiertem Graphit geringer ist, sind in einigen Anwendungsbereichen gewisse Einschränkungen gegeben, was wiederum die Entwicklung seiner Verbundmaterialien beschleunigt hat. Da die Länder der Welt immer strengere Beschränkungen für asbesthaltige Dichtstoffe einführen, haben expandierender Graphit sowie seine Verbunddichtstoffe als hochleistungsfähige, nicht-asbesthaltige Materialien große Anwendungsmöglichkeiten und Entwicklungsperspektiven – wodurch ihnen zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt wird. Die Anwendung von expandiertem Graphit sowie seinen Verbundmaterialien in Verschlusssystemen ist aufgrund der Eigenschaften des expandierten Graphits selbst – wie seine Widerstandsfähigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen, seine Korrosionsbeständigkeit, seine Undurchlässigkeit sowie seine hervorragende Kompressionselastizität – weit verbreitet. Auf seiner Basis hergestellte Dichtungen aus reinem weichem Graphit, flexible Graphitringe, gewebte Graphitfüllstoffe sowie verschiedene Verbundmaterialien aus Graphit werden in allen möglichen Anwendungen in elastischen und nicht-elastischen Verschlusssystemen eingesetzt. Zum Beispiel die Hochtemperaturdichtungen für Rohre, Ventile und Anschlussflansche in den verschiedenen Öfen der Metallverarbeitungsindustrie ； Korrosionsbeständige und strahlungsbeständige Dichtungen in Branchen wie Maschinenbau, Elektronik, Chemie, Raumfahrtindustrie, Nuklearindustrie, Ölindustrie und Chemieindustrie ； Langlebige Dichtungen für Schienenfahrzeug-Dieselmotoren, Automobile sowie verschiedene Dieselmotorkolbenringe und Dichtungen für Ein- und Auspuffrohre. Die auf dem Markt üblichen Produkte aus expandiertem Graphit sind wie im folgenden Bild dargestellt. Es gibt verschiedene Formen von expandiertem Graphit sowie seinen Verbundmaterialien: (1) Als Dichtungsstoff kann expandierter Graphit in Form von Platten hergestellt werden – er kann auch in Form von Präzisionskomponenten verwendet werden. Seine Herstellung ist relativ einfach. Als heute weit verbreitete Art von asbestfreien Dichtungen können sowohl reine Graphitdichtungen als auch deren Verbunddichtungen eine hervorragende Dichtfunktion erfüllen. Sie werden häufig zur Herstellung von statischen Dichtungen an Flanschen in Rohrleitungen, Ventilen, Druckbehältern und Pumpen eingesetzt. (2) Expansionsgraphitwickel-Dichtung: Eine Expansionsgraphitwickel-Dichtung ist eine zusammengesetzte Dichtung, die aus flexiblen Graphitbändern sowie V- oder W-förmigen Metallbändern hergestellt wird, wobei diese Bänder abwechselnd miteinander gewickelt werden. Es weist eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen sowie eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Zudem bietet es eine ausgezeichnete Dichtwirkung. Es handelt sich dabei um eines der effektivsten Dichtmaterialien für Anwendungen unter hohen Temperaturen und hohem Druck. Es wurden viele experimentelle Studien zu diesem Material durchgeführt, doch es gibt nur wenige Untersuchungen zur numerischen Simulation. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Leistung dieses Verbunddichtstoffs unter verschiedenen Bedingungen untersucht. (3) Flexible Graphitfüllstoffe: Flexible Graphitfüllstoffe entstehen hauptsächlich durch das Umwickeln eines Kernstabs mit flexiblem Graphit. Auf dem Markt gibt es mittlerweile viele verschiedene Arten solcher Füllstoffe – darunter Graphitringe, Graphitdichtungen sowie verstärkte Graphitdichtungen. Sie werden in den Dichtsystemen verschiedener Branchen eingesetzt. Ein aus flexiblem Graphit hergestellter gewebter Füllstoff ist ein Verbundmaterial, bei dem Fasern als Gerüst dienen und um diese herum eine Schicht aus aus flexiblem Graphit gefertigten Fäden gewoben wird. Er behält im Wesentlichen die ursprünglichen Eigenschaften des expandierten Graphits bei: Er ist nicht von Säuren oder Basen beeinflusst, weist eine hohe Zugfestigkeit auf, gute Kompressionseigenschaften sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit. Zudem ist er leicht zu montieren und zu demontieren. Daher eignet er sich hervorragend als Dichtmaterial in Industrieanlagen wie Dampfturbinen unter hohen Temperaturen und Drücken sowie in Anlagen zur Raffination von Öl. Herstellung und Formung von Verbundmaterialien aus expandiertem Graphit: Die einzigartigen, hervorragenden Eigenschaften des expandierten Graphits machen ihn bei Forschern sehr beliebt. Allerdings weist er auch einige nicht zu vernachlässigende Schwächen auf, die seine Anwendung in breiteren Bereichen einschränken. Zum Beispiel ermöglicht die lockere, poröse Struktur des expandierten Graphits, dass er eine gewisse Fähigkeit zur Aufnahme von Wasser und Öl besitzt. Wenn reiner expandierter Graphit als Dichtmaterial für die Motorkomponenten in Autos verwendet wird, können aufgrund der Aufnahme von Wasser und Öl ernsthafte Lecks entstehen ； Expansiver Graphit entsteht durch die Behandlung von natürlichem Graphit bei hohen Temperaturen. Die Bindung innerhalb des Materials beruht nur auf schwachen van-der-Waals-Kräften, wodurch seine Festigkeit gering ist ； Es weist eine schlechte Abnutzungsbeständigkeit auf und ist nicht widerstandsfähig gegen Strömungsschäden; daher kann es nicht direkt als Dichtmaterial für bestimmte Ventile verwendet werden. Daher ist die Suche nach flexiblen Graphitkunststoffverbindungen zu einem Hauptanliegen der Wissenschaftler im In- und Ausland, die sich mit expandiertem Graphit beschäftigen. In diesem Bereich wurden bereits große Fortschritte erzielt. Metall-Einkristallgraphit-Komposite: Viele traditionelle Metallmaterialien weisen gute Formbarkeit, Zähigkeit, Verbindbarkeit sowie Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzung auf. Zudem besitzen sie eine hohe Steifigkeit und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Strömungskräfte. Dadurch eignen sie sich hervorragend dazu, die Schwächen des reinen Einkristallgraphits auszugleichen. Deshalb werden Metall-Einkristallgraphit-Komposite in der Verschließtechnik sehr geschätzt. Es gibt derzeit zwei Haupttypen dieser Komposite: (1) Metallverstärkte Einkristallgraphit-Komposite – auch als verstärkte Graphitplatten oder hochfeste Graphitdichtungen bezeichnet. Als häufig verwendete Verstärkungsmaterialien dienen 304- oder 316-Stahl sowie Messing. Die Verstärkungsformen umfassen Plattenverstärkung, Flachplattenverstärkung sowie Netzplattenverstärkung. 304-verstärkter Graphit wird häufig in den Verschließsystemen von Druckbehältern, Pumpen, Rohrleitungen, Ventilen und Generatoren eingesetzt. Er zeichnet sich durch eine gute Widerstandsfähigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen, hohe Steifigkeit sowie eine gute Kompressionselastizität aus. (2) Das Aufbringen einer Schutzschicht auf die Oberfläche des Substratmaterials mittels Metallüberzügen ist seit langem die einfachste und praktischste Methode, mit der in vielen Branchen die Eigenschaften des Materials verbessert werden. Dies hat natürlich auch das Interesse der Forscher an expandiertem Graphit geweckt. Sie haben durch das Aufbringen von Schichten aus Chrom, Molybdän, Wolfram usw. auf die Oberfläche von weichem Graphitplatten zahlreiche spezielle, korrosionsbeständige und hochfesten Graphitprodukte hergestellt. Die Methode ist sehr einfach: Zunächst muss die Oberfläche der Graphitplatte unter Vakuum entgasiert werden. Anschließend wird die Graphitplatte in Lösungen aus entsprechenden Salzen wie Natriumchromat, Natriummolybat oder Natriumtungstat getaucht. Nach einer bestimmten Zeit wird das Material getrocknet – so erhält man einen flexiblen Graphikomposit. Da diese Methode einfach anzuwenden ist und im täglichen Produktionsprozess häufig verwendet wird, bleibt die Verbesserung der Kontrollierbarkeit ihrer Leistung sowie die Erzielung von Einsparungen bei Material und Zeit ein Forschungsgebiet, an dem Wissenschaftler weiterarbeiten. Das Verschließungsprinzip der Dichtungen sowie die Gleichungen zur Beschreibung der Deformationen: Maschinen und Anlagen können je nach dem relativen Bewegungsmuster der Verschließflächen in statische und dynamische Dichtungen eingeteilt werden. Dabei handelt es sich bei den statischen Dichtungen um die am häufigsten verwendeten Dichtungsformen in der täglichen Produktion – beispielsweise bei Rohrverbindungen mittels Flanschen, Schraubverbindungen oder bei der Abdichtung von Druckbehältern und Deckeln. Je nach Funktionsprinzip lassen sich die statischen Dichtungen weiter in Dichtungen mit Schraubenflanschen, selbstsichernde Dichtungen, Dichtungen mit Schraubverbindungen sowie Dichtungen mit Silikon abteilen. Dabei ist die Dichtung mit Schraubenflanschen die am weitesten verbreitete Form der statischen Dichtung. Die Forschungsarbeiten an dieser Art von Dichtungsstruktur konzentrieren sich hauptsächlich auf zwei Aspekte: Einerseits geht es um die Prüfung der Eigenschaften des Dichtungsmaterials, wobei insbesondere die Herstellungsmethoden des Materials sowie die Wissenschaftlichkeit und Genauigkeit der verwendeten Experimentiergeräte und -methoden untersucht werden ； Andererseits wurden umfangreiche Analysearbeiten zu den verschiedenen Ursachen für das Versagen der Systemdichtungen durchgeführt. Bei Dichtungen aus unterschiedlichen Materialien und in verschiedenen Formen wurden jeweils die Faktoren untersucht, die ihren Leckagegrad beeinflussen. Um ein Austreten des Fluids zu verhindern, besteht die grundlegende Methode darin, den Widerstand gegen den Fluss des Fluids an der Dichtstelle zu erhöhen. Wenn der Widerstand, den das Medium bei Durchfluss durch die Dichtstelle aufwirkt, größer ist als der Druckunterschied auf beiden Seiten der Dichtstelle, dann wird das Medium eingeschlossen. Der Widerstand des Mediums beim Durchfluss durch die Dichtstelle wird durch den Druck erzeugt, der auf die Verdichtungsfläche ausgeübt wird. Je größer der Druck auf der Verdichtungsfläche ist, desto größer ist auch der Widerstand des Mediums beim Durchfluss durch die Dichtstelle – was wiederum einer besseren Abdichtung zugutekommt. Stärkeversagen: Bei einem Bolzen-Flanschverbindungssystem, bei dem ein Stärkeversagen auftritt, muss eine Stärkeanalyse für die drei Bestandteile – nämlich die Flansche, die Bolzen sowie die Dichtungen – separat durchgeführt werden. (1) Festigkeitsversagen der Flansche – Die Wahl des Materials sowie die Konstruktion der Flansche haben direkten Einfluss auf ihre Festigkeit. Bei der Auswahl des Materials müssen Faktoren wie die Korrosionsfähigkeit des Mediums, die zulässige Betriebstemperatur sowie der maximale zulässige Stress berücksichtigt werden. Das sind die grundlegenden Anforderungen bei der Materialwahl. Die Konstruktion sowie die Stärkeprüfung der Flansche erfolgen gemäß GB150. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Flansche eine ausreichende Stärke aufweisen – wodurch das Risiko eines Versagens der Flanschstärke verringert wird. (2) Versagen der Festigkeit der Bolzen: Das Versagen der Festigkeit der Bolzen wird in hohem Maße durch folgende Ursachen verursacht: unzureichende Materialfestigkeit, Korrosion durch das umgebende Medium, Kriechdeformation bei hohen Temperaturen, interne Defekte in den Bolzen sowie zu hoher Anzugskraft. Aufgrund dieser Faktoren biegen oder verdrehen sich die Bolzen und können somit ihre Verbindungsfunktion nicht mehr erfüllen – was wiederum zum Versagen der Verbindungseinheit führt. Aufgrund der hohen Wahrscheinlichkeit eines Versagens der Bolzestärke sowie der daraus resultierenden schwerwiegenden Folgen muss dies von den Entwicklern besonders ernst genommen werden. (3) Versagen der Steifigkeit der Dichtungen: Die Dichtungen sind das wichtigste Dichtelement in einer gesamten Dichtverbindung. Ihre Leistung beeinflusst direkt die Dichtheit der Verbindungsstruktur. Die Deformationsfähigkeit und die Elastizität der Dichtungselemente sind wichtige Faktoren, die ihre Dichtleistung bestimmen. Dämpfer mit einer hohen Deformationsfähigkeit benötigen in der Regel nur eine geringe Schraubenverkraftung, um die unregelmäßigen Spalten auf der Pressfläche auszufüllen – dadurch entsteht leicht eine anfängliche Dichtung ； Dämpfer mit guten Rückprall Eigenschaften können sich leichter an die Schwankungen im Druck und der Temperatur des Mediums unter den Betriebsbedingungen anpassen. Da der Dämpfer direkt mit dem Medium in Berührung kommt, muss er außerdem korrosionsbeständig, stoßfest und widerstandsfähig gegen Ermüdung sein, um auch unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen eine gute Dichtigkeit sowie eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Ein Versagen der Dichtung bei Bolzenverbindungen äußert sich hauptsächlich in Leckagen. Sobald es zu einer Leckage kommt, kann das zu Unfällen führen. Im günstigsten Fall entstehen dadurch Verschwendungen an Energie und Ausrüstung sowie wirtschaftliche Verluste durch Störungen in der Produktion. Im schlimmsten Fall kann es zu Explosionen kommen, die zum Tod von Menschen führen können und außerdem eine unermessliche Umweltverschmutzung verursachen. Daher ist es umso wichtiger, Lecks so weit wie möglich zu reduzieren und die Anforderungen an die Dichtigkeit von Dichtungssystemen in Behältern und Rohrleitungen zu erhöhen. Bei der Analyse der Ursachen für Lecks in der praktischen Produktion stellte sich heraus, dass es im Allgemeinen zwei Arten von Lecks an den Dichtstellen gibt. Eine davon ist das sogenannte „Durchsickern“. Dieses Leck entsteht hauptsächlich dadurch, dass das Material der Dichtungen selbst viele Kapillaren aufweist. Das Fluid kann durch diese Kapillaren eindringen und somit zu einem Leck führen. In der Regel gilt: Je höher der Druck des Fluids, je höher die Temperatur sowie je geringer die Viskosität des Fluids, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit eines Durchsickerns. Darüber hinaus sind neben den Eigenschaften der Flüssigkeiten sowie den Bedingungen unter denen sie sich befinden, auch die Art der Dichtungsstruktur sowie die Eigenschaften des Materials entscheidende Faktoren. Dies tritt besonders bei der Verwendung nichtmetallischer Dichtungen auf – und zwar deshalb, weil diese Materialien selbst viele kleine Spalten aufweisen, eine lockere Struktur haben und daher eine schlechte Dichtigkeit bieten. Wenn nur ein sehr geringer Druck auf es ausgeübt wird, kann die Flüssigkeit leicht durch die vielen Kapillaren austreten. Im Allgemeinen kann man durch das Hinzufügen bestimmter Füllstoffe zu diesen porösen Dichtstoffmaterialien vorgehen. Zum Beispiel kann man durch Einweichen in Lösungen wie Silikatsäure oder Phosphorsäure Verbesserungen erzielen, oder man kann solche Materialien mit bestimmten undurchlässigen Stoffen kombinieren, um Verbundmaterialien herzustellen – dadurch kann die „Durchsickerrisiko“ verringert werden. Zweitens ist da das „Interface-Leck“, also ein Leck entlang der Stelle zwischen der Dichtung und der Pressfläche der Flansche. Die Menge des Lecks hängt hauptsächlich von der Größe der Lücke zwischen diesen beiden Flächen ab. Es gibt hauptsächlich zwei Gründe für diese Leckagen: (1) Die Abdichtungsflächen sind während der Verarbeitung uneben, oder die Druckkraft bei der Verdichtung ist zu gering bzw. ungleichmäßig – dadurch entstehen Lücken in den Abdichtungsflächen. (2) Zwischen den beiden Seiten der Dichtfläche besteht ein Druckunterschied oder ein Konzentrationsunterschied. In der Praxis sind ein Druckunterschied sowie ein Konzentrationsunterschied auf beiden Seiten der Dichtfläche unvermeidlich. Um solche Leckagen an der Grenzfläche zu verringern, muss die Genauigkeit der Bearbeitung erhöht werden. Gleichzeitig muss ein angemessener Druck auf die Dichtung ausgeübt werden, damit die durch die Kompression entstehende Elastizität der Dichtung genutzt werden kann, um die Unregelmäßigkeiten in der Dichtfläche auszugleichen. Die Gleichungen zur Koordination der Deformationen in Systemen mit Bolzen-Flanschverbindungen basieren derzeit auf der Analyse der elastischen Festigkeit. Zu den gängigen Methoden zur Berechnung solcher Verbindungen gehören die Waters-Theorie und die Timosenko-Theorie. Letztere eignet sich im Vergleich zur Waters-Theorie besser für die Berechnung von vollständigen Flanschverbindungen. Der Grund dafür ist, dass die Timosenko-Theorie neben den in der Waters-Theorie zu berücksichtigenden Faktoren auch weitere Einflussfaktoren berücksichtigt – wie beispielsweise den Druck des Mediums, die innere und äußere Temperatur sowie den Elastizitätsmodul und den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials. Diese Parameter können mit der Temperaturänderung variieren und somit den Leckagegrad der Verbindung beeinflussen. In diesem Artikel wird das Bolzen-Flanschverbindungsystem als Ganzes mit der Timosenko-Theorie analysiert. Die grundlegenden Annahmen sind: (1) Der Flanschkörper wird als endlos langer, elastischer Träger betrachtet, während der Flanschring als ringförmige Platte angesehen wird, die unter dem Einfluss äußerer Drehmomente nicht verdreht, sondern nur um einen bestimmten Winkel abgebogen wird; (2) Der Flansch sowie die Bolzen werden als linear-elastisch betrachtet – es kommt weder zu plastischem Versagen noch zu Kreuzungseffekten. Zudem wird der Einfluss der Bolzellöcher auf die Deformation des Flansches nicht berücksichtigt ； (3) Ohne Berücksichtigung der radialen Verschiebungen der Flansche an der Verbindung zu dem Rohr sowie der durch den Innendruck entstehenden Schichtspannungen, wird angenommen, dass der Drehwinkel des Gehäuses und des Flansches sowie die entstehenden radialen Verschiebungen gleich sind. Die Wahl der Verbindungsstruktur mit Bolzen und Flanschen hängt von den Herstellungsprozessen sowie den Anforderungen bei der Installation der Geräte ab. Bei chemischen Anlagen oder Rohrleitungen werden meist trennbare Verbindungsstrukturen verwendet, wie z. B. Schraubverbindungen, Steckverbindungen oder Flanschverbindungen. Dabei ist die Flanschverbindung die am häufigsten eingesetzte trennbare Verbindung. Daher ist es wichtig, die Belastungs- und Deformationsbedingungen dieser Verbindungsstruktur zu untersuchen. Je nach Druck im Medium sowie Art des Mediums werden geeignete Materialien sowie Strukturtypen für Flansche, Bolzen und Dichtungen ausgewählt. Die folgende Abbildung zeigt die allgemeine Form einer Flanschverbindung. Metallische Zahnprofil-Pads werden in der Regel mit präzisen Drehmaschinen auf beiden Seiten einer metallischen Edelstahl-Pufferplatte mit konzentrischen Rillen versehen. Je nach Medium kann flexible Graphit, PTFE, asbestfreies Material oder andere weiche Metalle verwendet werden, um diese auf die beiden Seiten der Pufferplatte aufzukleben. Es kann auch ohne Dichtschicht direkt verwendet werden, wobei eine gute Dichtigkeit erreicht wird. In Hochdruckumgebungen kann es jedoch zu Schäden an der Oberfläche der Flansche kommen. Simulierung der Dichtleistung und Strukturoptimierung von metallischen Zahnförmigen Dämpfern – Übersicht über metallische Zahnförmige Dämpfer: In der praktischen Produktion ist die Herstellung von metallischen Zahnförmigen Dämpfern äußerst einfach. Es genügt, mit einer präzisen Fräsmaschine auf beiden Seiten eines metallischen Edelstahl-Dämpfers zahlreiche konzentrische Rillen zu schneiden, um so einen zahnförmigen Metallrahmen zu erzeugen. Die besondere Zahnform bestimmt sein Verschlusssystem: Durch die Spannungskonzentration an den Zahnspitzen unter Druck entsteht eine hohe Spannung, wodurch eine lineare Versiegelung des Metalls erreicht wird. Es kann eine hohe Dichtwirkung erzielen, ist sicher und zuverlässig. Allerdings haben Faktoren wie die Wahl des Materials, das Konstruktionsdesign sowie die Fertigung des Produkts einen großen Einfluss auf die Dichtleistung der metallenen Zahnstiftdichtungen. Zudem kann bei Einsatz unter hohem Druck eine direkte Verwendung solcher Dichtungen zu Schäden an der Oberfläche der Flansche führen. Deshalb wird in der Industrie heutzutage selten ausschließlich auf solche metallischen Dichtungen zurückgegriffen – vielmehr werden Kombidichtungen verwendet, die aus mehreren Komponenten bestehen. Diese Dämpfplatten, die auf einem Metallgerüst basieren und je nach Arbeitsmedium aus Gummigrafit, PTFE, asbestfreien Platten oder anderen weichen Metallen hergestellt werden, indem diese Materialien auf beiden Seiten des Gerüsts aufgebracht werden, nennt man metallische Zahnprofil-Dämpfplatten. In den letzten Jahren wird aufgrund der ständigen Weiterentwicklung der Dichtungstechnologien die Leistungsfähigkeit von Materialien aus expandiertem Graphit immer mehr geschätzt. Als neues Dichtmaterial ersetzt es zunehmend Asbest-Dichtmaterialien sowie herkömmliche Metall-Dichtmaterialien. Daher ist es für Forscher, die sich mit metallischen Zahnprofil-Dämpfern beschäftigen, ein besonders attraktives Forschungsfeld, aus dem Substrat der zahnförmigen Dichtungen flexible Graphitschichten auf den oberen und unteren Kontaktflächen anzubringen, um so flexible Graphit-Metall-Zahnprofil-Dämpfer herzustellen. Zahlreiche experimentelle Studien haben gezeigt, dass diese Verbunddichtung nicht nur die Zuverlässigkeit des wellenförmigen Gerüsts der ursprünglichen Zahnprofil-Dichtung beibehält und an ihren spitzen Zähnen mehrere Schichten von Dichtungen bietet, sondern auch die Vorteile des Expanditmaterials in Anspruch nimmt – nämlich seine Widerstandsfähigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen sowie seine gute Elastizität bei Kompression. Dadurch entsteht eine doppelte Dichtwirkung. Das Verschließungsprinzip dieser Kombination aus Dämpfungselementen besteht darin, dass bei einer geringen Vorspannkraft die weiche, flexible Graphitschicht auf der Oberfläche des Dämpfungselements in die Fasern des Metallgerüsts gedrückt wird. Die oberen und unteren Oberflächen des Metallgerüsts kommen dabei nicht direkt mit der Flanschoberfläche in Berührung – dadurch wird eine Beschädigung des Flansches verhindert. Wenn die Belastung weiter zunimmt, dehnt sich das Metallgerüst elastisch aus, wodurch das expandierende Graphit komprimiert wird. Dadurch entsteht ein ringförmiger, abgeschlossener Raum zwischen dem Metallgerüst und der Flanschoberfläche. Dadurch entsteht eine doppelte Abdichtungswirkung durch die Kombination mehrerer Metallmaterialien mit weichem Graphit. Komposite Dichtungen aus weichem Graphit und Metallzähnen eignen sich besonders für Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Druck sowie für Situationen, in denen die Betriebsbedingungen ständig wechseln. Sie werden häufig bei der Verbindung von Flanschen in Geräten wie Wärmeaustauschern, Druckbehältern und Reaktoren eingesetzt und stellen eine ideale Alternative zu herkömmlichen Dichtungen aus Metall dar. Die Strukturform der metallenen Zahnstiftdämpfer unterscheidet sich je nach Art der Dichtfläche der Flansche in zwei grundlegende Typen: Der eine Typ wird für plane Flansche verwendet und weist einen Positionierring auf ； Zweitens sind es zahnförmige Dämpfer ohne Positionierring für konkave und konvexe Flansche. Abbildung 4-1 zeigt die äußere Struktur des Positionierrings aus flexiblem Graphit und Metallzähnen in der praktischen Produktion. Das Simulationsmodell für die Kompressionseigenschaften von komplexen Dichtungen aus weichem Graphit und Metallzähnen sowie die Materialarten entsprechen den Branchenstandards für die Chemieindustrie in China, die im Juli 2009 in Kraft traten – genauer gesagt dem Standard „Dichtungen mit Zahnstruktur für Stahlrohrflansche mit Überzug“ (Standardnummer: HG/T20623-2009). In diesem Artikel wird eine Dichtung mit Metallzähnen vom Typ DN80 verwendet. Die Struktur des Metallgerüsts sowie die Gesamtstruktur dieser Dichtung sind in den Abbildungen 4-2 und 4-3 dargestellt. Die Abmessungen der Standarddichtungen sind in der Tabelle aufgeführt. Dieser Artikel untersucht hauptsächlich den Einfluss der Anzahl der Zähne N des Metallgerüsts sowie der Dicke S der Schicht aus expandiertem Graphit auf die mechanischen Eigenschaften der Verbunddämpfer, unter der Voraussetzung, dass der Nenndurchmesser konstant bleibt. Im Vorbehandlungsprozess wird für das Metallgerüst Edelstahl vom Typ 304 verwendet. Seine Elastizitätsmodul beträgt 2,0×10¹¹ Pa, der Poisson-Koeffizient 0,313, der Schermodul 7,45×10¹¹ Pa, die Bruchgrenze 2,05×10⁸ Pa und die Dichte 7850 kg/m³. Als Elementtyp wird „planel83“ verwendet” ； Als Material für die Abdeckschicht wird expandierter Graphit mit einer Dichte von 1000 kg/m³ verwendet. Sein Elastizitätsmodul beträgt 1,0x10¹⁰ Pa, das Poisson-Verhältnis 0,01, das Schermodul 1,0x10⁷ Pa und die Bruchgrenze 6,0x10⁷ Pa. Der Zelltyp ist „planel82“. Da die Dichtungsstruktur eine zentralaxial symmetrische Form aufweist und die Spannungen in der Umfangsrichtung vernachlässigbar sind, vereinfachen wir das dreidimensionale geometrische Modell zu einem zweidimensionalen Modell zur Analyse der axialen Spannungen. Die Elemente Plane182 und Planel82 sind 2D-Elemente mit 4 Knoten und werden für 2D-Modelle verwendet. Jede Einheit hat 4 Knoten, und jeder Knoten wiederum verfügt über zwei Freiheitsgrade, nämlich Verschiebungen in den x- und y-Richtungen. Diese Elemente können sowohl als planare Elemente (mit planarem Spannungs- oder Dehnungszustand bzw. allgemeinem planaren Dehnungszustand) als auch als axialsymmetrische Elemente verwendet werden. Sie verfügen über Eigenschaften wie Plastizität, Hyperelastizität, Spannungsverstärkung, Fähigkeit zu großen Deformationen und großen Dehnungen sowie über die Möglichkeit, gemischte Formeln für Kraft und Verschiebung anzuwenden. Dadurch können sie zur Simulation der Deformationen von subelastischen Materialien, die kaum komprimierbar sind, sowie von hyperelastischen Materialien, die überhaupt nicht komprimierbar sind, eingesetzt werden. (2) Die Elemente Plane183 und Planel83 sind hochgradige 2D-Elemente mit 8 Knoten, die über eine quadratische Deformationsfunktion verfügen. Sie eignen sich zur Modellierung von unregelmäßigen Geometrien durch das Erstellen von Gitterstrukturen. Die Einheit wird durch 8 Knoten definiert, wobei jeder Knoten zwei Freiheitsgrade in Richtung hat. Ähnlich wie die PIanel82-Zelle kann sie auch als planare Zelle und als axialsymmetrische Zelle verwendet werden. Es verfügt über Fähigkeiten zur Plastizität, Verformung, Spannungssteifigkeit, großen Deformationen und großen Dehnungen. Zudem besitzt es die Möglichkeit, gemischte Formeln für Kraft und Verschiebung zu verwenden, wodurch die Deformation von nahezu inkompressiblen elasto-plastischen Materialien simuliert werden kann. Es werden außerdem Optionen für anfängliche Spannungen unterstützt. Und es werden verschiedene Druckausgabe-Optionen bereitgestellt. Bei der Gitterteilung wurde die unregelmäßige Form des Metallgerüsts berücksichtigt. In diesem Artikel wurde eine einfachere Methode der freien Gitterteilung gewählt; die Elemente haben die Form von Vierecken, wobei die Länge der Elementkanten 0,1 mm beträgt. Die in dieser Simulation verwendeten Modelle von Dämpfungselementen in verschiedenen Größen ergeben bei der Erstellung des Gitternetzwerks etwa 20.000 Knoten sowie etwa 7.600 Elemente. Abbildung 4-4 zeigt die Aufteilung des Elementgitters für ein zahnförmiges Kompositdämpfungselement mit einer Zahnzahl von 12 und einer Dicke der aus Dehnungsgraphit bestehenden Schicht von 0,4 mm. Die ANSYS-Software verfügt über Funktionen für gekoppelte Freiheitsgrade sowie Restriktionsgleichungen. Dadurch ist es möglich, Details wie starre Bereiche, Gelenkverbindungen in bestimmten Strukturen, symmetrische, relativ bewegliche Grenzen, periodische Bedingungen sowie andere spezielle Verbindungen zwischen Knotenpunkten genau zu beschreiben. Typische Kopplungsfreiheiten, die in dem Modellteil verwendet werden, umfassen: Strukturgleichheit, die Erstellung von Gelenken zwischen zwei wiederholten Knotenpunkten, Stifte, Kardanwellen und schubfähige Verbindungen, wodurch ein Teil des Modells Eigenschaften eines Festkörpers aufweist. In dieser Simulationsmethode ist es notwendig, um eine bessere Darstellung der Deformationskoordination der Verbundschicht aus expandiertem Graphit zu gewährleisten, nicht nur auf herkömmliche Elemente zur Verbindung der Knoten zurückzugreifen. Stattdessen müssen an der Oberfläche dieser Verbundschicht Kopplungen der Freiheitsgrade vorgenommen werden. Die X-Richtung wird als Hauptfreiheitsgrad verwendet, wodurch die Verschiebungen der Knoten in den X- und Y-Richtungen auf der Oberfläche begrenzt werden, um die Starrheit der Oberfläche zu gewährleisten. Nachdem die Analysetypen zur Definition der Struktur auf eine statische Analyse geladen und gelöst wurden, ist zur Erstellung der Kompressions- und Elastizitätskurve der gesamten Struktur aus flexiblem Graphit und Metallzähnen eine mehrstufige Beladungsmethode erforderlich. Zunächst müssen Grenzbedingungen für das Modell festgelegt werden. In dieser Simulation werden die axialen Freiheitsgrade der unteren Oberfläche der unteren Schicht aller Modelle eingeschränkt, d.h. es wird UY=0 festgelegt ； Anschließend wird eine gleichmäßige Last von 60 MPa auf die Oberfläche der oberen Schicht aufgebracht. Zu den Einstellungen für die Lastschritte gehören eine Endzeit von 10 s, eine Anzahl von 100 UnterSchritten sowie die Option, die Ergebnisse nach jedem UnterSchritt abzulesen. Danach werden die Lastschritte gespeichert – mit der Bezeichnung 1 ； Schließlich wird auf die Oberfläche der obersten Schicht eine Last von 0 MPa angelegt. Zu den Einstellungen für die Lastschritte gehört außerdem die Festlegung einer Endzeit von 20 Sekunden; alle anderen Werte bleiben standardmäßig. Der Lastschritt wird mit der Nummer 2 bezeichnet. Die Funktion des Lastschritts 1 besteht darin, das Modell schrittweise zu belasten, während der Effekt des Lastschritts 2 darin besteht, das Modell wieder zu entlasten. Nachdem die Randbedingungen und die Lastschritte festgelegt wurden, kann mit den Berechnungen begonnen werden. Um die Lösung für mehrstufige Belastungen zu ermitteln, wählt man „Solution—Solve—From LS Files“. Um die Berechnungsergebnisse anzusehen, verwendet man in der allgemeinen Nachverarbeitung von ANSYS die Funktion zum Lesen der gewünschten Zeitpunkte. Für einen bestimmten Knoten werden etwa zehn Zeitpunkte während des Beladungsprozesses sowie zehn Zeitpunkte während des Entladevorgangs ausgewählt. An diesen Zeitpunkten werden die Verschiebungs- und Spannungswerte des Knotens ermittelt. Die folgenden drei Diagramme zeigen das Ergebnis für eine Standard-Kompositmatte aus weichem Graphit und Metall (P = 1,0 mm) ； S=0,5 mm, N=12): Stress- und Deformationsprofile des Dichtungsplattenmodells zu bestimmten Zeitpunkten während des Beladens und Entladens. (1) Spannungskarte (2) Verschiebungsgrafik Da die Deformation dieser zusammengesetzten Dichtung bei Belastung und Entlastung sehr gering ist, wird hier die Verschiebungsgrafik bei Entlastung nicht mehr aufgeführt. Aus den drei Diagrammen geht hervor, dass während des Beladungsprozesses – mit zunehmenden Belastungswerten – sowohl der Spannungs- als auch der Dehnungswert der Dämpfungsschicht stetig ansteigen. Im Entladevorgang hingegen sinken die Spannungswerte dieses Knotens mit abnehmender Belastung. Dies entspricht den tatsächlichen Gesetzmäßigkeiten beim Beladen und Entladen. Im Nachverarbeitungsprogramm POST26 werden die Spannungswerte dieses Knotens während des Beladungs- und Entladevorgangs in Form von Kurven dargestellt. Die Spannungswerte sowie die Gesamtdehnungswerte für die jeweiligen Belastungsschritte werden anschließend in das Programm Origin eingegeben, um so die Druckkurven bei Raumtemperatur für die Standard-Dämpfungsschichten aus flexiblem Graphit zu ermitteln. Mit der oben beschriebenen Simulationsmethode werden nacheinander die Druckkurven für die Dämpfungsschichten mit flexiblem Graphit ermittelt. Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind in Abbildung 4-10 dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass die Kompressionskurven der Standard-Dämpfungsschichten (mit 12 Zähnen) sowie der Dämpfungsschichten mit 10 Zähnen annähernd linear sind. Bei den Standard-Dämpfungsschichten mit einer Schichtdicke von 0,5 mm sowie bei den Dämpfungsschichten mit Schichtdicken von 0,4 mm und 0,6 mm sind die Kompressionskurven ebenfalls annähernd linear. Abbildung 4-10(a) zeigt die Druckschließwerte für Kompositdämpfer mit einer Dicke des Dämpfers von S=0,5 mm, einer Tiefe der Wellenzähne von h=0,32 mm sowie unterschiedlichen Zahnabständen und Anzahlen an Zähnen ； Abbildung 4-10(b) zeigt die Druckschließwerte für Kompositdämpfer mit einem Zahnabstand von P=1,0 mm, einer Anzahl von Zähnen von N=12 sowie einer Wellenzahltiefe von h=0,32 mm – bei unterschiedlichen Dicken der Dämpfer. Diese Werte dienen als Referenz für weitere numerische Analysen. Bei flexiblen Graphit-Metall-Zahndämpfern bestimmt der Wert der Leckrate direkt die Qualität der Dichtleistung des Dämpfers. Derzeit beschränken sich die Forschungen zu flexiblen Graphit-Metall-Zahnprofil-Kompositdämpfern größtenteils noch auf experimentelle Untersuchungen. Selbst wenn es numerische Simulationen zur Leistung dieser Dämpfer gibt, beziehen sie sich meist nur auf die strukturellen Eigenschaften des Metallgerüsts – eine numerische Analyse der Leckrate des gesamten Kompositdämpfers existiert praktisch nicht. In diesem Artikel werden für die kompositen Dämpfer dieser verschiedenen Strukturen die entsprechenden Vordehnungskräfte der Bolzen berechnet, wobei der innere Druck des Mediums jeweils 0,98 MPa, 1,568 MPa, 2,45 MPa, 4 MPa, 6 MPa und 8 MPa beträgt. In der Vorbereitungsphase werden die Materialparameter des Dämpfers entsprechend den Werten der Kompressions- und Linearentlastungskurven aus Abbildung 4-10 eingegeben. Die Auswahl der anderen Elemente, die Erstellung des Modells, die Randbedingungen sowie die Methoden zur Belastung und Lösung bleiben unverändert. Die folgende Abbildung zeigt die Spannungsmuster des standardmäßigen kompositen Dämpfers aus weichem Graphit in zehn verschiedenen Betriebszuständen. Unabhängig von den Betriebsbedingungen weist die Spannungsverteilung in den Dämpfern immer das gleiche Muster auf: Sie ist entlang der Längsachse ungleichmäßig verteilt und nimmt von innen nach außen allmählich zu ； Mit zunehmendem Druck im Medium steigt der Restzug in der Dichtung ； Wenn der Druck im Medium konstant bleibt, nimmt die Restspannung des Dichtstücks mit zunehmender Vordehnung der Schrauben zu, was den mechanischen Eigenschaften des FlanschverbindungsSystems entspricht. Die Richtigkeit der numerischen Analysemethoden zur Simulation wurde erneut überprüft. Die in der ANSYS-Software für die verschiedenen Betriebszustände ermittelten Werte für Spannungen und Deformationen werden entsprechend in die Formeln eingesetzt, um den Leckrate-Wert der flexiblen Graphit-Metall-Zahnprofil-Dämpfer unter diesen Bedingungen zu berechnen. Für andere Dämpfertypen wird eine ähnliche Analyse durchgeführt: Zunächst werden mit der leistungsstarken kommerziellen Finite-Elemente-Analyse-Software ANSYS die Werte für Spannungen und Deformationen in den jeweiligen Betriebszuständen ermittelt, anschließend werden diese Werte in die Gleichungen zur Berechnung der Leckrate im Rahmen des porösen Mediums-Modells eingesetzt. Schließlich wurden die Werte der Dichtungsleckrate für die verschiedenen Modelle unter zehn verschiedenen Betriebsbedingungen in die Datenverarbeitungssoftware Origin eingegeben, um eine vergleichende Analyse durchzuführen. Die Ergebnisse der Verarbeitung sind in Abbildung 4-12 dargestellt. Abbildung (a) zeigt den Vergleich der Leckrate von Kombistößen mit einer Dicke des Stoßes von S=0,5 mm und einer Tiefe der Wellenzähne von h=0,32 mm bei unterschiedlichen Zahnabständen und Anzahlen von Zähnen unter verschiedenen Drücken in verschiedenen Medien ； Abbildung (b) zeigt den Vergleich der Leckrate von mehrschichtigen Dämpfern mit einer Dicke des Dämpfers von S = 0,5 mm und einer Tiefe der Wellenzähne von h = 0,32 mm, bei unterschiedlichen Zahnabständen und Anzahlen an Zähnen, unter einem Druck von 2,45 MPa im Medium – unter Berücksichtigung der verschiedenen Vordehnungskräfte der Schrauben ； Abbildung (C) zeigt den Vergleich der Leckagenraten von Verbunddämpfern mit einem Zahnabstand von P == 1,0 mm und einer Anzahl von Zähnen von N = 12 bei unterschiedlichen inneren Drücken in verschiedenen Medien – wobei die Dicke der Schicht aus expandiertem Graphit variiert ； Die Abbildung zeigt den Vergleich der Leckagenraten bei unterschiedlichen Vordehnungskräften der Bolzen bei einem Zahnabstand von P=1,0 mm und einer Anzahl von Zähnen von N=12, bei einem Druck im Medium von 2,45 MPa (nur zur weiteren numerischen Analyse). Aus Abbildung (a) geht hervor, dass der Druck im Medium einen ähnlichen Einfluss auf die Dichtwirkung der aus expandiertem Graphit bestehenden Dichtungen mit unterschiedlicher Anzahl an Zähnen hat. Das heißt: Mit zunehmendem Druck im Medium steigt auch die Leckagenrate dieser Dichtungen ； Bei gleichem Druck im Medium weist die Kompositdichtung mit N=10 Zähnen die geringste Leckrate auf, während die Standard-Kompositdichtung (N=12) die höchste Leckrate aufweist. Wie aus Abbildung (b) ersichtlich ist, hat die Vorspannkraft des Bolzens auch auf die Wirkung auf die Dämpfplatten aus expandiertem Graphit mit unterschiedlicher Anzahl an Zähnen denselben Einfluss. Das heißt: Mit zunehmender Vorspannkraft des Bolzens nimmt die Leckrate der Dämpfplatten mit unterschiedlicher Anzahl an Zähnen ab ； Bei derselben Vordehnungskraft des Bolzens ist die Leckrate der Kompositdämpfer mit N=10 Zähnen am geringsten, während die Leckrate der Standard-Kompositdämpfer (N=12) weiterhin am höchsten ist. Aus den Zusammenfassungsdiagrammen (a) und (b) lässt sich das ersehen. Für die flexible Graphit-Metall-Kompositdichtung DN8 ist die Standard-Metallstruktur nicht die beste. Die geringste Leckage – also die beste Dichtigkeit – wird erreicht, wenn die Dicke der Dichtung S = 0,5 mm beträgt, die Tiefe der Wellenzähne h = 0,32 mm, der Abstand zwischen den Zähnen p = 1,0 mm und die Anzahl der Zähne N = 10 ist. Die Wirkung des Drucks im Medium auf die metallischen Zahnprofil-Dämpfungselemente mit verschiedenen Graphitbeschichtungen ist gleich: Mit zunehmendem Druck im Medium steigt bei allen solchen Dämpfungselementen die Leckrate ； Bei dem gleichen Druck im Medium weist die Dichtung mit einer Schicht aus expandiertem Graphit die geringste Leckrate auf; der maximale Wert der Leckrate bleibt weiterhin der Wert der Leckrate bei herkömmlichen Dichtungen. Wie aus Abbildung (d) ersichtlich ist, hat die Vorspannkraft des Bolzens ebenfalls einen ähnlichen Einfluss auf die Leckagerate der Verbunddämpfer mit Graphitbeschichtungen unterschiedlicher Art. Mit zunehmender Vorspannkraft des Bolzens nimmt die Leckagerate dieser Verbunddämpfer in allen Fällen ab ； Unter dem gleichen Vorspannkraftwert der Bolzen weist die Dichteschicht aus expandiertem Graphit mit einer Dicke von S=0,4 mm die geringste Leckrate auf. Bei den Standard-Dichtungen mit derselben Dicke (S=0,5 mm) ist hingegen die Leckrate am höchsten. Aus den Diagrammen (c) und (d) geht hervor, dass bei den aus flexiblem Graphit und Metall hergestellten Dichtungen der Größe DN80 die geringste Leckrate erreicht wird, wenn die Dicke der Dichtung S = 0,4 mm beträgt, die Tiefe der Wellenzähne h = 0,32 mm, der Abstand zwischen den Zähnen P = 1,0 mm und die Anzahl der Zähne N = 12 ist. Auf diese Weise wird das Ziel einer strukturellen Optimierung der Dichtung erreicht. Zusammenfassung: In diesem Artikel wird ein komplexes Dämpfungsmaterial vorgestellt, das derzeit in der Forschung viel Aufmerksamkeit erhält – es handelt sich dabei um ein Dämpfungsmaterial aus expandiertem Graphit und Metallzähnen. Diese Dichtungen werden auf einer metallischen Wellenstruktur als Grundlage hergestellt; darauf wird anschließend eine Schicht aus expandiertem Graphit in einer bestimmten Dicke aufgetragen. Dadurch verfügen sie nicht nur über die Vorteile der hohen Steifigkeit und Sicherheit der metallischen Struktur, sondern auch über die guten Komprimier- und Elastizitäts Eigenschaften des expandierten Graphits sowie über Widerstandsfähigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen. Dadurch entsteht eine doppelte Abdichtungseffekt, wodurch diese Dichtungen in vielen Geräten zur Abdichtung eingesetzt werden können. Derzeit beschränken sich die Analysen dieser Dichtungen größtenteils noch auf experimentelle Untersuchungen; numerische Simulationsanalysen sind kaum vorhanden. Deshalb wurde in diesem Artikel das ANSYS-Programm verwendet, um die Dichtigkeitseigenschaften dieser Dichtungen numerisch zu analysieren und gleichzeitig eine Optimierung ihrer Struktur zu erreichen. Zu den daraus gezogenen Schlussfolgerungen gehören: (1) Während des Beladungsprozesses nehmen mit zunehmenden Belastungsschritten – also mit steigenden Belastungswerten – sowohl der Spannungs- als auch der Dehnungswert der Dämpferrückwand stetig zu. Im Entladevorgang hingegen sinkt der Spannungswert an diesem Knotenpunkt mit abnehmender Belastung – was mit den tatsächlichen Gesetzmäßigkeiten der Beladung und Entladung übereinstimmt ； (2) Wenn die Dicke der Schicht aus expandiertem Graphit 0,5 mm beträgt, dann sind die Kompressionskurven der Standard-Kompositdichtungen mit 12 Zähnen sowie der Kompositdichtungen mit 10 Zähnen annähernd linear ； (3) Wenn die Anzahl der Zähne des Metallgerüsts 12 beträgt, dann sind die Kompressionskurven der Standarddämpfer (S=0,5 mm) sowie der kompositen Dämpfer mit einer Deckschichtdicke von 0,4 mm bzw. 0,6 mm annähernd linear ； (4) Wenn die Dicke der Schutzschicht aus expandiertem Graphit 0,5 mm beträgt, ist die Leckrate der Verbunddichtungen mit N=10 am geringsten. Die Leckrate der Standard-Verbunddichtungen (N=12) hingegen ist am höchsten ； (5) Wenn die Anzahl der Zähne des Metallgerüsts 12 beträgt, ist die Leckrate der Verbunddichtung mit einer Schicht aus expandiertem Graphit am geringsten. Der maximale Wert der Leckrate bleibt weiterhin derselbe wie bei den herkömmlichen Verbunddichtungen.