مواد گرافیت

گرافیت به عنوان یک عنصر کربن دارای چندین ویژگی منحصر به فرد است که بر استفاده از آن در کاربردهای مختلف تأثیر می گذارد.

خواص مکانیکی

گرافیت با وجود اینکه سختی آن با الماس قابل مقایسه نیست، مقاومت مکانیکی نسبتاً متوسطی از خود نشان می دهد. استحکام مکانیکی آن توسط ساختار شبکه ای و نیروهای ضعیف بین لایه ای آن تعیین می شود.

با توجه به این نیروهای ضعیف، گرافیت انعطاف‌پذیری خاصی از خود نشان می‌دهد که امکان تغییر شکل محدود تحت تنش را فراهم می‌کند که قادر به تحمل برخی بارهای مکانیکی است. خواص مکانیکی گرافیت با جهت اعمال نیرو متفاوت است و به راحتی در عرض برش می شود اما در برابر تنش عمودی مقاوم است.

خواص حرارتی

گرافیت به دلیل ساختاری که انتقال حرارت موثر را در امتداد محور مسطح تسهیل می کند، رسانایی حرارتی بالایی دارد. این فرم کربن همچنین دارای نقطه ذوب بالا بیش از 3000 درجه سانتیگراد است که امکان کاربردهای حرارتی بالا مانند کوره ها را فراهم می کند.

گرافیت در اتمسفر گاز خنثی در دمای بیش از 2450 درجه سانتیگراد از حالت جامد به گاز تغییر شکل می دهد. تصعید همچنین می تواند در 3750 درجه سانتیگراد در غیاب اکسیژن رخ دهد. ظرفیت گرمایی ویژه پایین گرافیت به آن اجازه می دهد تا به سرعت به تغییرات دما پاسخ دهد.

گرافیت نیز با این تغییرات دما که ناشی از ضریب انبساط پایین آنهاست، حداقل دچار انبساط و انقباض می شود. این به ویژه در جایی که ثبات ابعادی کلیدی است مفید است. پایداری حرارتی نشان‌داده‌شده توسط گرافیت در محیط‌های کاهش‌دهنده یا با دمای بالا نیز بسیار عالی است.

گرافیت هدایت حرارتی ناهمسانگرد را با انتقال موثر در امتداد و نه عمود بر شبکه نمایش می دهد. هنگامی که گرافیت در معرض تغییرات دما قرار می گیرد، به دلیل مقاومت در برابر شوک حرارتی، بدون شکستگی پاسخ می دهد.

خواص الکتریکی

گرافیت دارای الکترون‌های غیرمکانی‌شده در ساختار شبکه‌ای است که امکان هدایت الکتریسیته را فراهم می‌کند. اتم‌های کربن در گرافیت چهار الکترون ظرفیتی را تشکیل می‌دهند که تنها سه تا از آن‌ها قادر به پیوند هستند. بنابراین، الکترون چهارم آزاد رسانایی را ممکن می‌سازد.

خواص شیمیایی

گرافیت بسیار مقاوم در برابر مواد شیمیایی است و با اکثر مواد شیمیایی غیر واکنش نشان می دهد. این بی اثری شیمیایی آن را در جایی که پایداری شیمیایی مورد نظر است یا در محیط های خورنده ایده آل می کند.

روانکاری طبیعی گرافیت امکان استفاده در کاهش اصطکاک را در جایی که روان کننده های مایع غیرعملی هستند، به عنوان روان کننده جامد می دهد. این به لطف لایه های کربنی با پیوند ضعیف است که به راحتی روی یکدیگر می لغزند.

در فرآیند تولید گرافیت مصنوعی، فرآیندهای دمای بالا درگیر هستند. علاوه بر این، کنترل پارامترهای دقیق برای دستیابی به سطوح خلوص مطلوب و خواص مواد اعمال می شود.

در تولید گرافیت مصنوعی از کک یا زغال سنگ به عنوان ماده اولیه اولیه در کنار باندر استفاده می شود. دو فرآیند تولید متداول وجود دارد: فرآیند آچسون و تصفیه ترکیبات کربن در دمای بالا.

فرآیند آچسون

در این فرآیند، کک و گرافیت ریز آسیاب شده در یک کوره مقاومت الکتریکی در دمای بیش از 2450 درجه سانتیگراد تحت حرارت قرار می گیرند. یک واکنش شیمیایی منجر می شود که مقداری از کربن را در کنار کاربید سیلیکون به گرافیت تبدیل می کند. گرافیت سرد می شود و سپس خرد می شود تا به اندازه دلخواه برسد.

درمان با دمای بالا

ترکیبات کربنی مانند کک یا زغال سنگ در معرض دمای بالای 2400 تا 3000 درجه سانتیگراد قرار می گیرند. فرآیندی که به آن پیرولیز گفته می شود، محتویات کربن را به گرافیت تبدیل می کند. برای دستیابی به انسجام مطلوب، یک روش خنک‌سازی و خرد کردن دنبال می‌شود.

گرافیت سازی

در این فرآیند، مواد کربنی تحت شرایط کنترل شده در معرض دمای بالای 2500 درجه سانتیگراد قرار می گیرند. نتیجه بازآرایی اتم های کربن به یک ساختار شبکه شش ضلعی است.

درمان ها

برای تعیین سطوح خلوص یا اصلاح خواص سطحی ذرات، می‌توان پردازش گرافیت تشکیل‌شده را دنبال کرد. گرافیت همچنین می تواند با ترکیبات دیگر در هم آمیخته شود تا خواص کلی ماده را تغییر دهد.

پس از تولید گرافیت مصنوعی، می توان آن را به روش های مختلفی مانند قالب گیری، اکستروژن و ماشین کاری تشکیل داد.

ماشینکاری گرافیت

فرآیند ماشینکاری گرافیت شامل شکل دادن و تکمیل مواد گرافیت برای دستیابی به پوشش و ظاهر مطلوب است. ابزارهای مختلفی مانند ابزار الماس یا کاربید استفاده می شود. هنگام ماشینکاری گرافیت، شکنندگی و ناهمسانگردی آن را در نظر بگیرید.

آسیاب گرافیت

هنگام آسیاب گرافیت، با استفاده از برش های چرخشی مانند ماشین های فرز، مواد را از قطعه کار جدا می کنید تا به اشکال خاصی برسید. ابزار کاربید در این گونه ماشین ها به دلیل مقاومت در برابر سایش و سختی آنها استفاده می شود.

برای دستیابی به حذف کارآمد مواد، ماشینکاری با سرعت بالا استفاده می شود. از آنجایی که گرافیت ذرات ریز تولید می کند، برای اطمینان از روند روان و کاهش خطرات سلامتی، کنترل گرد و غبار ضروری است.

تراشکاری گرافیت

هنگام چرخاندن قطعه کار گرافیتی، معمولاً برای ایجاد پروفیل‌های استوانه‌ای، روی یک ابزار برش می‌چرخند. تراشکاری یک فرآیند تولید کاهشی است زیرا مستلزم حذف مواد است. ماشین‌های تراشکاری CNC در تراشکاری گرافیت با دقت و اتوماسیون بالا کاربرد معمولی پیدا می‌کنند.

ابزارهای برش در ماشین تراش مورد استفاده برای گرافیت دارای سختی و مقاومت در برابر سایش بالایی هستند. از جمله ابزارهای پوشش داده شده با الماس و کاربید. سرعت برش، سرعت تغذیه و عمق برش از جمله مواردی است که هنگام تراشکاری گرافیت باید در نظر گرفته شود.

از آنجایی که گرافیت شکننده است، به حداقل رساندن ارتعاش و ارائه پشتیبانی کافی از قطعه کار برای جلوگیری از شکستن ابزار و براده برداری ضروری است. از گرافیت تراشکاری می توان در ساخت بلبرینگ و مهر و موم گرافیت استفاده کرد.

سنگ زنی گرافیت

سنگ زنی گرافیت از ابزارهای ساینده برای حذف مواد برای رسیدن به سطح و/یا ابعاد دلخواه استفاده می کند. معمولاً به عنوان یک عملیات تکمیلی با استفاده از چرخ های سنگ زنی با ذرات ساینده استفاده می شود.

ساینده های رایج مورد استفاده نیترید بور مکعبی و الماس هستند. هنگام سنگ زنی گرافیت، دقت برای دستیابی به پوشش های سطحی خوب و تحمل های محکم ضروری است. استفاده از خنک کننده ها به دلیل خطر آلودگی ضروری نیست.

حفاری گرافیت

ایجاد سوراخ در قطعات کار گرافیتی با حفاری با استفاده از مته امکان پذیر می شود. این مته ها می توانند تحت کنترل عددی کامپیوتری یا دستی باشند که اولی دقت بالاتری را ارائه می دهد. هنگام سوراخ کردن گرافیت، باید قطعه کار را محکم کنید تا از حرکت در حین عملیات حفاری جلوگیری شود.

روش‌های مختلف حفاری مانند حفاری پیچشی، حفاری پیک، حفاری مرکزی و مته‌کاری مته‌کن و فروکشی وجود دارد. هنگام سوراخ کردن، جنبه هایی مانند عمق و اندازه سوراخ را در نظر بگیرید. اینها تحت تأثیر مته و سرعت قرار خواهند گرفت.

به لطف خواص قابل توجه گرافیت از جمله روانکاری، رسانایی الکتریکی و تحمل حرارتی، کاربردهای متعددی در صنایع پیدا می کند. برخی از این کاربردها به شرح زیر است:

گرافیت در صنعت هسته ای

یکی از کاربردهای اصلی گرافیت در صنعت هسته ای استفاده از آن در برخی راکتورها به عنوان ماده تعدیل کننده است. در این نقش، حرکت نوترون را کند می کند و امکان وقوع واکنش های هسته ای پایدار را فراهم می کند.

روکش کانال های سوخت در راکتورهای پیشرفته با گاز خنک شده از گرافیت ساخته شده است. این ماده دماهای بالا و شرایط تابش را تحمل می کند و در عین حال پایداری و پشتیبانی مکانیکی را نیز فراهم می کند.

علاوه بر این، گرافیت محافظ تشعشع را ارائه می دهد زیرا می تواند اثرات تشعشع را کاهش دهد. این ویژگی امکان استفاده از آن را در ساخت تجهیزات حفاظت فردی و همچنین ذخیره سازی طولانی مدت زباله های هسته ای فراهم می کند.

گرافیت در متالورژی

پایداری و بی اثری شیمیایی گرافیت در دمای بالا، استفاده از آن را به عنوان یک ماده نسوز در متالورژی ایده آل می کند. یک ماده نسوز اساساً در برابر حرارت یا تجزیه شیمیایی مقاوم است. چنین ماده ای در عوض خواص فیزیکی و ساختار خود را حفظ می کند.

از گرافیت می توان به تنهایی یا در صورت مخلوط شدن با منیزیم برای ساخت آجرهای نسوز استفاده کرد. چنین استفاده ای در ریخته گری پیوسته فولاد برجسته است و به ساخت بوته ها و قالب هایی که برای حاوی فلزات مذاب استفاده می شوند گسترش می یابد.

در ریخته‌گری پیوسته فولاد، گرافیت در کنار زیرکونیا و آلومینا و زیرکونیا ترکیب می‌شود تا نازل‌ها، میله‌های درپوش و ملاقه‌ها بسازند. اینها به تنظیم جریان فولاد مذاب کمک می کنند و در عین حال از اکسیداسیون نیز محافظت می کنند.

بلوک های گرافیت نیز در تولید آهن برای پوشش کوره بلند استفاده می شود. مقاومت حرارتی بالا و انبساط حرارتی کم آنها از عواملی است که استفاده از آنها را در این راه تقویت می کند. آنها همچنین در کوره های متالورژی به عنوان الکترود استفاده می شوند.

گرافیت در صنایع شیمیایی

استفاده از گرافیت در صنایع شیمیایی به دلیل بی اثر بودن شیمیایی و پایداری حرارتی آن است که باعث می شود حتی تحت تأثیر واکنش های گرمازا قرار نگیرد. گرافیت در ساخت تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی مورد استفاده برای فرآیندهای شیمیایی مانند مخازن واکنش مورد استفاده در آزمایشگاه ها استفاده می شود.

سیستم های لوله کشی در کارخانه های شیمیایی از لوله ها و اتصالات گرافیتی برای انتقال مایعات خورنده مانند اسیدها و محلول های بازی استفاده می کنند. علاوه بر این، مواد گرافیت در ساخت مهر و موم های شیمیایی و واشر برای جلوگیری از نشت استفاده می شود.

الکترولیز آب نمک هیدروژن، کلر و هیدروکسید سدیم با گرافیت مورد استفاده برای الکترودها تولید می کند. سایر فرآیندهای الکتروشیمیایی مانند آبکاری الکتریکی نیز از الکترودهای گرافیتی استفاده می کنند. علاوه بر این، در واکنش‌هایی که از کاتالیزورها استفاده می‌کنند، گرافیت می‌تواند به عنوان ماده پشتیبانی عمل کند.

گرافیت در صنعت برق

استفاده های زیادی از گرافیت در صنعت برق با موادی که معمولا در الکترودهای باتری استفاده می شود، مانند باتری های لیتیوم یونی وجود دارد. در اینجا، گرافیت به عنوان ماده آند استفاده می شود. گرافیت همچنین قادر به هدایت الکتریکی با مقاومت کم است.

خواص الکتریکی آن امکان استفاده از آن را در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها برای ایجاد برس ها و کنتاکت ها فراهم می کند. برس های گرافیتی یک مسیر رسانا را بین روتور و قسمت ثابت ارائه می دهند که تضمین می کند هیچ اختلالی در جریان الکتریکی وجود ندارد.

همچنین روانکاری گرافیت در کاهش اصطکاک ضروری است و در نتیجه از سایش و هدایت الکتریکی صاف جلوگیری می کند. این در کنتاکت های الکتریکی لغزشی که در مقاومت های متغیر، سوئیچ ها و پتانسیومترها مشاهده می شود، نمونه است.

تحمل حرارتی بالای گرافیت امکان استفاده از آن را در مدیریت حرارت برای وسایل الکترونیکی برای جلوگیری از گرمای بیش از حد فراهم می کند. استفاده از مواد گرافیت به عنوان ماده رابط حرارتی یا به عنوان یک هیت سینک به قطعات الکترونیکی در دفع گرمای تولید شده کمک می کند.

ترموکوپل های مورد استفاده در محیط های با دمای بالا از مواد گرافیت به عنوان یک ماده محافظ استفاده می کنند. بی اثر بودن شیمیایی این ماده، ترموکوپل را در برابر گازهای خورنده محافظت می کند و اندازه گیری دقیق دما را تضمین می کند.

به دلیل خاصیت روان کنندگی گرافیت، از آن به عنوان روان کننده خشک در جایی که روان کننده های مایع نامناسب هستند، استفاده می شود. به عنوان مثال، یاتاقان های گرافیتی می توانند بدون نیاز به گریس کار کنند. گرافیت همچنین می تواند برای افزایش خواص حرارتی در مواد کامپوزیت مورد استفاده در زمینه های خودرو و هوافضا استفاده شود.

این ماده دارای رینگ های پیستون و آستر سیلندر موتورهای با کارایی بالا است که به دلیل کاهش اصطکاک و مقاومت در برابر سایش عالی است. قابلیت ماشینکاری گرافیت و پایداری دما امکان تولید قالب و قالب برای ریخته گری فلز را فراهم می کند.

استفاده از گرافیت در صنعت خودرو و هوافضا

لنت و لنت ترمز خودرو و هواپیما از مواد گرافیتی به دلیل خواص اصطکاکی برتر که عملکرد ترمز را بهبود می بخشد، استفاده می کنند. پایداری در دمای بالا و مقاومت شیمیایی آن امکان استفاده در واشر و مهر و موم موتور خودرو را فراهم می کند.

هنگام توسعه مواد کامپوزیتی برای قطعات و اجزای هواپیما مانند بدنه، از گرافیت به دلیل کیفیت حرارتی و مقاومت شیمیایی آن استفاده می شود. این ماده همچنین دارای نازل های موشک هواپیما و محفظه های رانش برای پایداری حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی است.