Was ist Graphitmaterial?
Graphit ist ein Kohlenstoffallotrop in kristalliner Form mit einer sechseckigen Gitterstruktur. Es kommt in der Natur vor, bildet Graphenschichten und ist unter normalen Bedingungen die stabilste Kohlenstoffform. Diamant entsteht, indem Graphit erhöhter Temperatur und Druck ausgesetzt wird.
Arten von synthetischem Graphit
Die Prozessbedingungen zur Herstellung von synthetischem Graphit können angepasst werden. Daher ist es möglich, verschiedene Formen oder Arten von synthetischem Graphit herzustellen. Einige häufig hergestellte synthetische Graphitmaterialien sind:
Pyrolytischer Graphit wird durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt. Bei diesem Verfahren werden Kohlenstoffatome bei erhöhten Temperaturen in einer Kohlenwasserstoffgasumgebung auf einem Substrat abgeschieden. Dadurch entsteht ein hochorientierter und kristalliner Graphit. Durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellter Graphit weist nur sehr wenige Verunreinigungen auf. Pyrolytischer Graphit ist anisotrop und weist eine hervorragende seitliche Wärmeleitfähigkeit auf. Außerdem hat er einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der für die Dimensionsstabilität über einen weiten Temperaturbereich nützlich ist. Anfang des Formulars
Dieser synthetische Graphit wird durch Kaltverdichtung der Rohmaterialien in Formblöcken in einer isostatischen Presse hergestellt. Dabei wird aus allen Richtungen gleichmäßig Druck ausgeübt, was zu gleichmäßiger Dichte und Materialeigenschaften führt. Unter den synthetischen Graphitarten hat isostatischer Graphit die kleinsten Körnungen. Feines Graphitpulver in einer flexiblen Form wird in einer isostatischen Presse aus einer speziellen Flüssigkeit hohem Druck ausgesetzt. Isostatischer Graphit ist isotrop mit durchgängig gleichbleibenden Eigenschaften und kann hochreinen Graphit liefern. Das Graphitmaterial hat eine homogene Mikrostruktur mit präziser Maßkontrolle und bestimmbarer Leistung. Isostatischer Graphit wird beim industriellen Sintern, bei Hochtemperaturanwendungen und bei der Herstellung von Halbleiterkomponenten verwendet.
Geformter Graphit wird durch einen Formprozess hergestellt, bei dem Graphitpartikel in einer Form komprimiert werden. Nachdem das Graphitpulver in eine Form der gewünschten Form gegeben wurde, wird Druck ausgeübt, um das Pulver zu verdichten. Anschließend folgt ein Erhitzungsprozess der Form, bei dem die Graphitpartikel zu einem Feststoff gesintert werden. Geformter Graphit kann gerichtete Eigenschaften aufweisen, ermöglicht aber die Herstellung von Graphitkomponenten in unterschiedlichen Formen. Im Vergleich zum isostatischen Pressen ist das Formen von Graphit kostengünstiger, da benutzerdefinierte Formen und Größen erstellt werden können. Geformter Graphit wird in der Gießereiindustrie zur Herstellung von Komponenten wie Tiegeln verwendet. Er wird auch in Stranggussanwendungen zur Herstellung von Metallteilen eingesetzt.
Vibrationsgraphit wird durch Vibrationsformen hergestellt, bei dem ein Vibrationsmechanismus zum Verdichten und Formen von Graphitpartikeln verwendet wird. Pulverförmige Graphitpartikel werden in einer Form Vibrationen ausgesetzt, wodurch die Graphitpartikel verdichtet werden. Diese Graphitform kann je nach Formorientierung richtungsabhängige Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus kann sie unterschiedliche Dichten aufweisen. Vibrationsgeformter Graphit ist für Stranggussanwendungen geeignet und wird für seine Vielseitigkeit bei der Formgebung geschätzt.
Diese Art von synthetischem Graphit wird durch ein Extrusionsverfahren hergestellt. Dabei wird die Mischung aus Graphitpulver und Bindemittel durch eine Düse gepresst, wodurch ein durchgehendes Profil entsteht. Anschließend wird das Material wärmebehandelt, um das Bindemittel zu entfernen und die Graphitpartikel zu einem festen und zusammenhängenden Klumpen zu sintern. Die Düse hat normalerweise den gewünschten Querschnitt und das Produkt wird in die gewünschte Länge geschnitten. Extrudierter Graphit hat eine mäßige Dichte und kann anisotrope Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus ist es mit dem Extrusionsverfahren möglich, gleichmäßige und durchgehende Profile herzustellen.
Graphit-Materialformel und Graphit-Symbol
Graphit ist ein Kohlenstoffallotrop und wird mit C und dem Symbol Gr der International Mineralogical Association (IMA) bezeichnet. Es kommt in reiner Form vor und besteht aus einzelnen Schichten mit schwachen Bindungen, die als Graphen bezeichnet werden. Basierend auf der Gitterstruktur gibt es zwei Formen dieses Mineralelements: Alpha und Beta.
Natürliches Graphitmaterial vs. synthetischer Graphit
Natürlicher Graphit entsteht auf natürliche Weise durch eine Kombination anhaltender geologischer Prozesse, die sich über Millionen von Jahren erstrecken. Er wird im Bergbau gewonnen und kommt in drei Hauptformen vor: kristalliner Flockengraphit, amorpher Graphit und Gang-/Klumpengraphit.
Natürlicher Graphit hat eine unregelmäßige, geschichtete Struktur und kann Verunreinigungen wie Silizium, Schwefel oder andere Elemente enthalten.
Synthetischer Graphit wird hergestellt, indem eine Kohlenstoffverbindung wie Kohle und ein Bindemittel Hochtemperaturprozessen ausgesetzt werden. Es gibt verschiedene Formen von synthetischem Graphit, wie pyrolytischen Graphit und isotropen Graphit. Mit diesem Graphittyp können Sie eine kontrollierte Struktur mit hoher Reinheit erreichen.
Synthetischer Graphit kann je nach Herstellungsverfahren isotrop oder anisotrop sein. Da er unter bestimmten Bedingungen hergestellt wird, können die Eigenschaften von synthetischem Graphit während des Herstellungsprozesses gezielt bestimmt werden.
Graphit besitzt als Kohlenstoffelement mehrere einzigartige Eigenschaften, die seinen Einsatz in verschiedenen Anwendungen beeinflussen.
Mechanische Eigenschaften
Obwohl seine Härte nicht mit der von Diamant vergleichbar ist, weist Graphit eine relativ mäßige mechanische Festigkeit auf. Seine mechanische Festigkeit wird durch seine Gitterstruktur und die schwachen Zwischenschichtkräfte bestimmt.
Angesichts dieser geringen Kräfte weist Graphit eine gewisse Flexibilität auf, die eine begrenzte Verformung unter Belastung ermöglicht und einigen mechanischen Belastungen standhält. Die mechanischen Eigenschaften von Graphit variieren mit der Richtung der Krafteinwirkung. Es schert leicht seitlich, ist aber widerstandsfähig gegen senkrechte Belastung.
Thermische Eigenschaften
Graphit hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, da seine Struktur eine effektive Wärmeübertragung entlang der planaren Achse ermöglicht. Diese Kohlenstoffform hat außerdem einen hohen Schmelzpunkt von über 3.000 °C, was Anwendungen mit hohen Temperaturen wie in Öfen ermöglicht.
Graphit ändert seinen Zustand von einem festen zu einem gasförmigen Zustand, indem es sich in einer Atmosphäre aus Inertgas bei über 2450 °C verformt. Sublimation kann auch bei 3750 °C in Abwesenheit von Sauerstoff auftreten. Die geringe spezifische Wärmekapazität von Graphit ermöglicht es ihm, schnell auf Temperaturänderungen zu reagieren.
Graphit dehnt sich bei diesen Temperaturänderungen aufgrund seines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auch nur minimal aus und zieht sich nur minimal zusammen. Dies ist besonders nützlich, wenn die Dimensionsstabilität entscheidend ist. Die thermische Stabilität von Graphit in reduzierenden oder Hochtemperaturumgebungen ist ebenfalls beeindruckend.
Graphit weist eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit auf, wobei die Wärmeübertragung entlang des Gitters erfolgt und nicht senkrecht dazu. Wenn Graphit Temperaturschwankungen ausgesetzt wird, reagiert es dank seiner Widerstandsfähigkeit gegen Thermoschocks ohne zu brechen.
Elektrische Eigenschaften
Graphit weist in seiner Gitterstruktur delokalisierte Elektronen auf, die eine elektrische Leitfähigkeit ermöglichen. Die Kohlenstoffatome im Graphit bilden vier Valenzelektronen, von denen nur drei bindungsfähig sind. Das freie vierte Elektron ermöglicht somit die Leitfähigkeit.
Chemische Eigenschaften
Graphit ist äußerst chemikalienbeständig und reagiert nicht mit den meisten Chemikalien. Diese chemische Inertheit macht es ideal, wenn chemische Stabilität erwünscht ist oder in korrosiven Umgebungen.
Die natürliche Schmierfähigkeit von Graphit ermöglicht den Einsatz als Festschmierstoff zur Reibungsreduzierung, wo flüssige Schmiermittel unpraktisch sind. Dies ist den schwach gebundenen Kohlenstoffschichten zu verdanken, die leicht übereinander gleiten.
Bei der Herstellung von synthetischem Graphit werden Prozesse bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Darüber hinaus wird eine genaue Parameterkontrolle durchgeführt, um die gewünschten Reinheitsgrade und Materialeigenschaften zu erreichen.
Bei der Herstellung von synthetischem Graphit werden Koks oder Kohle sowie Pechbinder als Hauptrohstoffe verwendet. Es gibt zwei gängige Herstellungsverfahren: das Acheson-Verfahren und die Hochtemperaturbehandlung von Kohlenstoffverbindungen.
Acheson-Verfahren
Bei diesem Verfahren werden fein gemahlener Koks und Graphit in einem elektrischen Widerstandsofen auf über 2450 °C erhitzt. Es kommt zu einer chemischen Reaktion, bei der ein Teil des Kohlenstoffs neben Siliziumkarbid in Graphit umgewandelt wird. Der Graphit wird abgekühlt und anschließend zerkleinert, um die gewünschte Größe zu erreichen.
Hochtemperaturbehandlung
Kohlenstoffverbindungen wie Koks oder Kohle werden hohen Temperaturen zwischen 2400 und 3000 °C ausgesetzt. Der als Pyrolyse bezeichnete Prozess wandelt den Kohlenstoffgehalt in Graphit um. Anschließend folgt ein Kühl- und Zerkleinerungsprozess, um die gewünschte Konsistenz zu erreichen.
Graphitierung
Bei diesem Verfahren wird das Kohlenstoffmaterial unter kontrollierten Bedingungen erhöhten Temperaturen von über 2500 °C ausgesetzt. Das Ergebnis ist eine Neuanordnung der Kohlenstoffatome in eine hexagonale Gitterstruktur.
Behandlungen
Anschließend kann der gebildete Graphit behandelt werden, um den Reinheitsgrad zu bestimmen oder die Oberflächeneigenschaften der Partikel zu verändern. Graphit kann auch mit anderen Verbindungen vermischt werden, um die Gesamteigenschaften des Materials zu verändern.
Nach der Herstellung von synthetischem Graphit kann dieser auf verschiedene Weise geformt werden, beispielsweise durch Formen, Extrudieren und Bearbeiten.
Graphitbearbeitung
Bei der Bearbeitung von Graphit wird das Graphitmaterial geformt und bearbeitet, um die gewünschte Oberfläche und Optik zu erzielen. Dabei kommen verschiedene Werkzeuge zum Einsatz, wie Diamant- oder Hartmetallwerkzeuge. Bei der Bearbeitung von Graphit müssen dessen Sprödigkeit und Anisotropie berücksichtigt werden.
Graphit fräsen
Beim Fräsen von Graphit entfernen Sie Material vom Werkstück, indem Sie rotierende Fräser wie Fräsmaschinen verwenden, um bestimmte Formen zu erzielen. Hartmetallwerkzeuge werden in solchen Maschinen aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit und Härte verwendet.
Um einen effizienten Materialabtrag zu erreichen, wird Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt. Da Graphit feine Partikel erzeugt, ist eine Staubkontrolle unerlässlich, um einen reibungslosen Prozess zu gewährleisten und Gesundheitsrisiken zu reduzieren.
Graphit drehen
Beim Drehen wird ein Graphitwerkstück gegen ein Schneidwerkzeug gedreht, um normalerweise zylindrische Profile zu erzeugen. Drehen ist ein subtraktiver Fertigungsprozess, da dabei Material entfernt wird. CNC-Drehmaschinen werden häufig beim Drehen von Graphit verwendet und bieten hohe Präzision und Automatisierung.
Die Schneidwerkzeuge einer Drehmaschine für Graphit weisen eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit auf. Dazu gehören diamantbeschichtete Werkzeuge und Hartmetall. Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe sind einige der Aspekte, die beim Drehen von Graphit zu berücksichtigen sind.
Da Graphit spröde ist, müssen Vibrationen minimiert und das Werkstück ausreichend gestützt werden, um Werkzeugbrüche und Absplitterungen zu vermeiden. Drehgraphit kann zur Herstellung von Lagern und Graphitdichtungen verwendet werden.
Graphit schleifen
Beim Graphitschleifen werden Schleifwerkzeuge verwendet, um Material zu entfernen und die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit und/oder Abmessungen zu erreichen. Es wird üblicherweise als Endbearbeitungsvorgang mit Schleifscheiben und Schleifkörnern angewendet.
Häufig verwendete Schleifmittel sind kubisches Bornitrid und Diamant. Beim Schleifen von Graphit ist Präzision entscheidend, um feine Oberflächengüten und enge Toleranzen zu erreichen. Der Einsatz von Kühlmitteln ist aufgrund der Kontaminationsgefahr nicht erforderlich.
Graphit bohren
Das Bohren von Löchern in Graphitwerkstücken wird durch Bohren mit Bohrern ermöglicht. Diese Bohrer können computergesteuert oder manuell sein, wobei erstere eine höhere Präzision bieten. Beim Bohren von Graphit müssen Sie das Werkstück sichern, um Bewegungen während des Bohrvorgangs zu verhindern.
Es gibt verschiedene Bohrverfahren wie Spiralbohren, Tieflochbohren, Zentrierbohren und Senken. Beim Bohren sind Aspekte wie die Tiefe und Größe des Lochs zu beachten. Diese werden durch den Bohrer und die Drehzahl beeinflusst.
Dank der bemerkenswerten Eigenschaften von Graphit, wie Schmierfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmebeständigkeit, findet es in verschiedenen Branchen Anwendung. Einige dieser Verwendungszwecke sind wie folgt:
Graphit in der Nuklearindustrie
Eine wichtige Anwendung von Graphit in der Nuklearindustrie ist seine Verwendung als Moderatormaterial in einigen Reaktoren. In dieser Funktion verlangsamt es die Neutronenbewegung und ermöglicht so die Entstehung anhaltender Kernreaktionen.
Die Gehäuse der Brennstoffkanäle moderner gasgekühlter Reaktoren werden aus Graphit gefertigt. Dieses Material verträgt die hohen Temperaturen und Strahlungsbedingungen und bietet gleichzeitig Stabilität und mechanischen Halt.
Darüber hinaus bietet Graphit einen Strahlenschutz, da es die Auswirkungen von Strahlung abschwächen kann. Diese Eigenschaft ermöglicht seinen Einsatz bei der Herstellung persönlicher Schutzausrüstung und auch bei der Langzeitlagerung von Atommüll.
Graphit in der Metallurgie
Aufgrund seiner Hochtemperaturstabilität und chemischen Inertheit eignet sich Graphit ideal als feuerfestes Material in der Metallurgie. Ein feuerfestes Material ist im Wesentlichen hitzebeständig oder chemisch zersetzt. Ein solches Material behält stattdessen seine physikalischen Eigenschaften und seine Struktur.
Graphit kann allein oder in Mischung mit Magnesium zur Herstellung feuerfester Steine verwendet werden. Diese Verwendung ist vor allem beim Strangguss von Stahl zu finden und erstreckt sich auch auf die Herstellung von Tiegeln und Formen, die zur Aufnahme von geschmolzenen Metallen verwendet werden.
Beim kontinuierlichen Stahlgießen wird Graphit mit Zirkonoxid und Aluminiumoxid kombiniert, um Düsen, Stopfenstangen und Pfannen herzustellen. Diese helfen dabei, den Fluss des geschmolzenen Stahls zu regulieren und schützen gleichzeitig vor Oxidation.
Graphitblöcke werden auch bei der Eisenproduktion zum Auskleiden von Hochöfen verwendet. Ihre hohe Wärmebeständigkeit und geringe Wärmeausdehnung sind einige Faktoren, die ihre Verwendung zu diesem Zweck begründen. Sie werden auch in metallurgischen Öfen als Elektroden verwendet.
Graphit in der chemischen Industrie
Die Verwendung von Graphit in der chemischen Industrie beruht auf seiner chemischen Inertheit und thermischen Stabilität, wodurch es selbst von exothermen Reaktionen nicht beeinträchtigt wird. Graphit wird zur Herstellung korrosionsbeständiger Geräte für chemische Prozesse verwendet, beispielsweise Reaktionsgefäße für Labore.
Rohrleitungssysteme in Chemieanlagen verwenden Graphitrohre und -armaturen zum Transport korrosiver Flüssigkeiten wie Säuren und basische Lösungen. Darüber hinaus wird Graphitmaterial zur Herstellung chemischer Dichtungen und Dichtungsringe zur Leckagevermeidung verwendet.
Bei der Elektrolyse von Salzlauge entstehen Wasserstoff, Chlor und Natriumhydroxid, wobei Graphit für die Elektroden verwendet wird. Auch bei anderen elektrochemischen Prozessen wie der Galvanisierung werden Graphitelektroden verwendet. Darüber hinaus kann Graphit bei Reaktionen mit Katalysatoren als Trägermaterial dienen.
Graphit in der Elektroindustrie
Graphit wird in der Elektroindustrie häufig verwendet. Das Material wird häufig in Batterieelektroden verwendet, z. B. in Lithium-Ionen-Batterien. Hier wird Graphit als Anodenmaterial verwendet. Graphit weist außerdem eine elektrische Leitfähigkeit bei geringem Widerstand auf.
Seine elektrischen Eigenschaften ermöglichen den Einsatz in Elektromotoren und Generatoren zur Herstellung von Bürsten und Kontakten. Graphitbürsten bieten einen leitenden Pfad zwischen Rotor und stationärem Teil, der sicherstellt, dass der Stromfluss nicht unterbrochen wird.
Darüber hinaus ist die Schmierfähigkeit von Graphit wichtig, um Reibung zu reduzieren und so Verschleiß vorzubeugen und eine reibungslose elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Dies zeigt sich beispielsweise bei gleitenden elektrischen Kontakten, wie sie in variablen Widerständen, Schaltern und Potentiometern zu beobachten sind.
Die hohe thermische Toleranz von Graphit ermöglicht seinen Einsatz im Wärmemanagement elektronischer Geräte, um Überhitzung zu verhindern. Die Verwendung von Graphit als thermisches Schnittstellenmaterial oder als Kühlkörper hilft elektronischen Komponenten bei der Ableitung der erzeugten Wärme.
Thermoelemente, die in Hochtemperaturumgebungen verwendet werden, verwenden Graphit als Schutzmaterial. Die chemische Inertheit des Materials schützt das Thermoelement vor korrosiven Gasen und gewährleistet genaue Temperaturmessungen.
Aufgrund der Schmiereigenschaften von Graphit wird es als Trockenschmiermittel verwendet, wenn flüssige Schmiermittel ungeeignet sind. Graphitlager können beispielsweise ohne Schmierung betrieben werden. Graphit kann auch verwendet werden, um die thermischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen zu verbessern, die in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet werden.
Dieses Material wird aufgrund seiner Reibungsreduzierung und hervorragenden Verschleißfestigkeit für Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen von Hochleistungsmotoren verwendet. Die Zerspanbarkeit und Temperaturstabilität von Graphit ermöglichen die Herstellung von Gesenken und Formen für den Metallguss.
Einsatz von Graphit in der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Graphit wird für Bremsbeläge und -beläge von Fahrzeugen und Flugzeugen verwendet, da es über hervorragende Reibungseigenschaften verfügt und so die Bremsleistung verbessert. Seine hohe Temperaturstabilität und chemische Beständigkeit ermöglichen den Einsatz in Dichtungen und Versiegelungen von Automotoren.
Bei der Entwicklung von Verbundwerkstoffen für Flugzeugteile und -komponenten wie Flugzeugrümpfe wird Graphit aufgrund seiner thermischen Eigenschaften und seiner chemischen Beständigkeit verwendet. Dieses Material wird aufgrund seiner thermischen Stabilität und Korrosionsbeständigkeit auch in Raketendüsen und Schubkammern von Flugzeugen verwendet.
