گرافیت ماده ای متشکل از اتم های کربن است که در ورقه های مسطح قرار گرفته اند که شبیه طرح های شش ضلعی هستند. در شرایط عادی، این کربن خالص است که به خوبی به عنوان کاملاً پایدار شناخته شده است. گرافیت بسیار رسانای الکتریکی و حرارتی است، بسیار نرم با وزن مخصوص پایین.
انواع گرافیت طبیعی
گرافیت پولکی
را مواد کربنی تحت فشار و دمای بالا قرار می گیرد و در نتیجه گرافیت پوسته پوسته طبیعی تولید می کند. این پولک‌ها اغلب دانه‌های برف مینیاتوری هستند و به راحتی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و گرافیت پولکی را برای روان‌کننده‌ها عالی می‌کند. همچنین به دلیل رسانایی الکتریکی بالا می تواند در باتری ها و سلول های سوختی نیز کار کند.
شرکت های خودروسازی بزرگترین مصرف کنندگان این نوع گرافیت طبیعی هستند. طی چند سال گذشته، تقاضا برای گرافیت پولکی از سوی تولیدکنندگان هیبریدهای الکتریکی و پیل‌های سوختی افزایش یافته است.
گرافیت ورید کریستالی
گویی رگه های گرافیت خالص در یک سنگ دگرگونی داشتیم. به طور قابل توجهی، این گرافیت ورید کریستالی با بالاترین خلوص (تا کربن 99%) و رسانایی الکتریکی است. این مانند یک سوپرمن کربنی است که برای کاربردهای پیشرفته مانند اجزای رآکتور هسته ای و الکترودهای عملکرد فوق العاده ذخیره شده است.
گرافیت ورید کریستالی یک ماده معدنی غیر معمول و ارزشمند است که در چین و کانادا یافت می‌شود. همچنین می‌توان آن را مشابه گرافیت پوسته‌دار به دلیل عملکرد عالی در عملیات‌هایی که نیاز به رسانایی حرارتی و الکتریکی بالا دارد، استفاده کرد.
گرافیت آمورف
60-85% از گرافیت آمورف حاوی کربن ثابت است. این رایج ترین شکل گرافیت است که معمولاً در سنگ های رسوبی مانند زغال سنگ و شیل کشف می شود.
گرافیت آمورف برای اهداف متعدد مفید است اما نه در هر سناریو.
با توجه به مقاومت حرارتی خوب این ماده معدنی، می توان از آن در تولید استفاده کرد، جایی که اغلب به عنوان بوته، قالب، ملاقه، فروغ یا نازل استفاده می شود.
از سوی دیگر، بسیاری از الکترودهای کوره متالورژیکی و روکش‌های کوره بلند آهنی از گرافیت آمورف ساخته شده‌اند. چین، مکزیک و کره شمالی عمدتاً این شکل همه کاره را تولید می کنند.
گرافیت طبیعی در مقابل گرافیت مصنوعی
گرافیت طبیعی
گرافیت طبیعی از فرآیندهای دگرگونی به دست می آید که ماده آلی باستانی را به این ماده معدنی نرم و لایه لایه تبدیل می کند.
آنها در طیف وسیعی از اشکال ظاهر می شوند، از گرافیت پوسته پوسته بزرگ تا کریستالی خالص ورید. طبق یک تمرین محک زدن از یک متخصص برجسته LCA، یک آند ساخته شده از گرافیت طبیعی تا 14 CO دارد.2 معادل
گرافیت پولکی در روان‌کننده‌ها، پوشش‌های نسوز و مدادها بسیار عالی است، در حالی که کریستالی قدرت خود را در راکتورهای هسته‌ای و الکترودهای با کارایی بالا نشان می‌دهد. گرافیت آمورف در زغال سنگ و شیل وجود دارد و مقاومت حرارتی خود را به ریخته گری می دهد. با این وجود، گرافیت طبیعی دارای ویژگی های خاص خود است.
استخراج معادن پیامدهای زیست محیطی دارد و بی ثباتی های ژئوپلیتیکی می تواند عرضه را مختل کند. علاوه بر این، عیوب ذاتی آن، در حالی که معمولاً ناچیز است، گاهی اوقات برای استفاده های خاص مشکل ساز است.
گرافیت مصنوعی
گرافیت مصنوعی از کک نفتی یا زغال سنگ ساخته می‌شود و تحت چندین عملیات تحت دما و فشار بالا قرار می‌گیرد. از طریق یک فرآیند انرژی بر، کک دوباره تا 2500-300 درجه سانتیگراد گرم می شود. گرما ممکن است از مکانیسم های زغال سنگ یا نفت سوز حاصل شود. انتشار CO2 به دلیل این فرآیندها بسیار زیاد است.
این خلوص به معنای هدایت الکتریکی و پایداری حرارتی بهتر است که برای باتری‌های لیتیوم یونی، سلول‌های خورشیدی و غیره مناسب‌تر است. با این حال، ایجاد گرافیت مصنوعی هزینه دارد. فرآیند تولید انرژی بر آن، انتشار کربن قابل توجهی ایجاد می کند و نگرانی هایی را در مورد ردپای زیست محیطی آن ایجاد می کند. علاوه بر این، هزینه بالای آن و اتکا به سوخت های فسیلی سوالات پایداری را مطرح می کند.
گرافیت طبیعی چگونه به وجود می آید
گرافیت در سنگ های دگرگونی به دلیل وقوع کاهش ترکیبات کربن رسوبی در حین دگرسانی تشکیل می شود. همچنین در شهاب سنگ ها و سنگ های آذرین یافت می شود. مواد معدنی مرتبط با گرافیت عبارتند از کوارتز، کلسیت، میکا و تورمالین.
گرافیت همراه با مواد معدنی ترویلیت و سیلیکات در شهاب سنگ ها یافت می شود. کلیفتونیت به بلورهای گرافیتی کوچک موجود در آهن شهاب سنگی اشاره دارد. به نظر می رسد برخی از دانه های کوچک ایزوتوپی هستند و ترکیب آنها نشان می دهد که آنها قبل از منظومه شمسی سرچشمه گرفته اند. آنها متعلق به یکی از حدود دوازده نوع کانی شناخته شده هستند که قبل از سیستم خورشیدی وجود داشته و در ابرهای مولکولی نیز یافت شده اند.
فرآیند تولید گرافیت مصنوعی
با فرآیند تبدیل، یک سری مراحل در سمفونی وجود دارد که چیزی را به عنوان ماده خام، گرافیت مصنوعی (SG-BAM) می سازد. باتری لیتیومی مواد آند هر مرحله مهم است، زیرا به گرافیت مصنوعی کمک می کند تا ویژگی های منحصر به فرد خود و سازگاری با دستگاه های ذخیره انرژی را به دست آورد. اکنون، بیایید رقص پیچیده تولید را بررسی کنیم:
تولید کک پترولیوم سبز.
تولید کک نفتی سبز از روغن های سنگین مورد استفاده برای کراکینگ کاتالیستی یا پالایش بنزین اولین گام خواهد بود. اولین پیش ساز کربن در سنتز گرافیت استفاده می شود.
کلسیناسیون
در طول کلسیناسیون کک نفتی سبز، یک فرآیند در دمای بالا در حدود 1300 درجه سانتیگراد تا 1400 درجه انجام می شود. هنگامی که این حرکت حرارتی مواد فرار و آلاینده ها را از کک حذف می کند، کک سوزنی تولید می شود. این سطح بالاتر از محتوای کربن نمونه اولیه کاملی را برای آن فاز بعدی فراهم می کند.
گرافیت سازی
سپس کک سوزنی در دمای بیش از 2500 درجه سانتیگراد در یک کوره الکتریکی قرار می گیرد. گرافیتی شدن. اتم های کربن در حین گرم شدن بیش از حد مرتب می شوند، که کک را به گرافیت تبدیل می کند. گرافیت سازی ویژگی های سودمندتری می دهد و رسانایی ماده گرافیت را افزایش می دهد.
پس پردازش
سایر تکنیک‌های پس پردازش ممکن است پس از گرافیتی‌سازی استفاده شوند. باتری‌های لیتیوم یونی همچنین شکل‌پذیر، طبقه‌بندی‌پذیر یا پوشش‌پذیر هستند تا راندمان بسته‌بندی و عملکرد عالی داشته باشند. کاربردهای دیگر ممکن است نیازهای خاص پس از پردازش متفاوتی داشته باشند.
ساختار گرافیت
ترتیب کربن
یک لانه زنبوری را تصور کنید که نه از موم بلکه فقط از اتم های کربن تشکیل شده است. ویژگی اصلی گرافیت ساختار اتمی آن است.
هر اتم کربن به شدت به سه اتم دیگر در یک لایه متصل می شود. این یک شبکه بسیار قوی ایجاد می کند. هر کربن در وسط یک دایره شش ضلعی قرار می گیرد و صفحات شش ضلعی زیادی می سازد که برای همیشه ادامه می یابند.
این پیکربندی به عنوان هیبریداسیون sp² شناخته می شود و به هر اتم کربن اجازه می دهد تا سه پیوند کووالانسی بسیار قوی با همسایگان نزدیک خود تشکیل دهد. یک الکترون اضافی می تواند در کل صفحه سرگردان باشد.
بسیاری از ویژگی های گرافیت به شدت به این الکترون های آزاد وابسته است.
پیوند دادن
بر خلاف الماس، که در آن هر اتم کربن دارای چهار پیوند قوی است که آنها را به هم نگه می دارد تا شکل جعبه سفت را ایجاد کند، اتصالات گرافیت به یک طرف اشاره دارد.
نیروهای ضعیف‌تری که این لایه‌ها را در کنار هم نگه می‌دارند، به آنها اجازه می‌دهند مانند پنکیک‌ها روی یک تابه بلغزند.
این پیوند منحصر به فرد همچنین دلیل اینکه گرافیت می تواند الکتریسیته را هدایت کند را نشان می دهد. الکترونهای آزاد می‌توانند به راحتی از طریق صفحات جریان پیدا کنند، بنابراین انتخاب خوبی برای باتری‌ها و الکترودها است.
مقایسه با سایر آلوتروپ ها
بر خلاف سختی الماس، گرافیت دارای لایه هایی است که به راحتی خم می شوند. این نشان می‌دهد که کربن می‌تواند در شکل یا شکل (آلوتروپ) باشد.
در حالی که یک الماس به صورت چهار وجهی چیده شده است به طوری که هر اتم کربن رقیب به چهار اتم دیگر متصل می شود، ساختار شش ضلعی گرافیت باعث می شود که خواص اساسی متفاوتی داشته باشد.
در نگاه به گرافیت و فولرن ها، این واقعیت که فولرن دارای شکل گرد است، ساختار لایه آن را در گرافیک تشکیل می دهد.
خواص گرافیت
خواص فیزیکی
رنگ و ظاهر
گرافیت در طیفی از رنگ‌های مختلف، از ظاهر فلزی روشن تا خاکستری تیره ظاهر می‌شود. ظاهر خاص آن باعث جذابیت بیشتر و سهولت در کاربردهای مختلف شده است.
این رنگ جالب انتخاب خوبی برای مداد است، زیرا تصاویر و نقاشی ها را عمیق تر و هیجان انگیزتر می کند.
چگالی و وزن مخصوص
گرافیت با وجود قوی بودن نسبتاً سبک است. لایه های زیاد و اتاق های باز آن را در آب شناور نگه می دارد. همچنین به نظر می رسد که وقتی آن را لمس می کنید وزن یک پر دارد. مناسب برای استفاده هایی که وزن بسیار مهم است، مانند قطعات هواپیما و وسایل ورزشی، زیرا سنگین نیست.
نقطه ذوب و جوش
اگرچه گرافیت برای هدایت حرارتی عالی است، دمای ذوب آن از حدود 3500 درجه سانتیگراد متغیر است. این دمای ذوب بالا برای استفاده در کاربردهای گرم ایده آل است - چیزهایی که در کارخانه ریخته گری و حتی بخش هایی از راکتورهای هسته ای تولید می شوند. آنقدر داغ است که اگر مداد را در آتشفشان بگذاری، آتش می‌گیرد.
رسانایی (الکتریکی و حرارتی)
خواص الکتریکی و رسانایی گرما گرافیت ارتباط نزدیکی با هم دارند. الکترون های متحرک در لایه های آن به راحتی گرما و الکتریسیته را از خود عبور می دهند. این دستگاه را برای شارژ مجدد باتری ها، گرم کردن اشیا و حتی انجام نمایشگرهای لمسی آسان می کند. به اسکرول روی گوشی خود فکر کنید. این حرکت صاف از رسانایی گرافیت ناشی می شود.
خواص روانکاری
لایه های گرافیت به آن اجازه می دهد که بین لایه ها بلغزد و روان کننده عالی است. همچنین در کاربردهایی که لغزش کمتر و حرکت نرم‌تر اهمیت دارد استفاده می‌شود. این یک ماده عالی برای قفل، چرخ و حتی مداد است.
خواص شیمیایی
واکنش پذیری با اکسیژن
هنگامی که حرارت بیش از 700 درجه باشد، این ماده لایه لایه می شود و به دی اکسید کربن تبدیل می شود. این به تغذیه آتش و نیرو دادن به کوره های بزرگی که اشیا را ذوب می کنند کمک می کند. این ویژگی باعث تقویت مواد و ماندگاری در مکان های مختلف به خصوص در اطراف هوا می شود.
واکنش پذیری با اکسیژن
گرافیت که معمولاً بخش آرامی از دنیای شیمیایی است، وقتی همه چیز داغ است، ممکن است با اکسیژن دچار مشکل شود. این ماده به صورت لایه لایه جدا می شود و در دمای بالاتر از 700 درجه به دی اکسید کربن تبدیل می شود. این سوخت را روشن می کند و کوره های بزرگی را که اشیا را ذوب می کنند، نیرو می دهد. این ویژگی مواد را تقویت می کند و در مکان های مختلف، عمدتا در اطراف هوا دوام می آورد.
مقاومت در برابر اسیدها و بازها
اتصالات قوی کربن-کربن و آرایش لایه ای آن توسط اکثر اسیدها و بازها به سختی شکسته می شود. این آن را برای کاربردهایی مانند پوشش در راکتورهای شیمیایی و حتی ظروف که می توانند فلزات گرم شده را در خود نگه دارند، ایده آل می کند. این عنصر آن را در مکان های مضر مناسب تر می کند که به استفاده از طیف گسترده ای از چیزها کمک می کند.
اکسیداسیون و خوردگی
گرافیت زمانی که به شدت داغ می شود تغییر شکل می دهد، اما به طور کلی، در شرایط عادی، این تغییر به آرامی و پیوسته رخ می دهد. به مرور زمان دچار خوردگی یا فرسایش می شود. با گذشت زمان، این یک لایه نازک از دی اکسید کربن در سطح خود ایجاد می کند که توسط اکسیژن اطراف آن ایجاد می شود. این یک فرآیند کند پوشیدن است. با این حال، این نمی تواند ویژگی های اصلی را که آن را به یک ماده قوی و قابل اعتماد تبدیل می کند، تغییر دهد.
خواص مکانیکی
قدرت و سختی
گرافیت بسیار قوی و سخت است، بنابراین در صورت استفاده، می تواند مدت زیادی دوام بیاورد. در ساختار قوی خود چندین لایه دارد. هر اتم کربن به دو اتم دیگر در صفحات متصل است و با هم، تحت فشار قوی می مانند.
انعطاف پذیری و کشش
الماس در واقع سخت است و به راحتی شکسته می شود، اما ساختار منحصر به فرد گرافیت به آن اجازه می دهد تا به خوبی خم شود. گرافیت می تواند به راحتی کشیده و خم شود و شکستن آن را در هر موقعیتی دشوار می کند. همچنین نیروهای ضعیفی بین ورق ها وجود دارد که به آنها اجازه می دهد بدون شکستن خم شوند و بپیچند. برای واشر، گریس و حتی ضربه گیر مناسب است.
طبیعت ناهمسانگرد
گرافیت ماده متوسط شما نیست. دارای خواصی است که بسته به اینکه در حال هل دادن یا کشیدن در جهات مختلف هستید تغییر می کند. در امتداد خطوط محکم است اما ضعیف است و به راحتی بین آنها لغزش می شود. این ویژگی "ناهمسانگرد" برای اهدافی که به جهت های دقیق در هر جهت نیاز دارد، مانند قطب نما و پاک کن های الکتریکی، عالی است.
خواص حرارتی
گرافیت ظرفیت گرمایی ویژه بالایی دارد، یعنی می تواند گرمای زیادی را بدون تغییر دمای آن به میزان قابل توجهی جذب کند. گرافیت می تواند دمای بالا را بدون تخریب قابل توجه تحمل کند، بنابراین برای کاربردهای گرمایی مناسب است. گرافیت، بر خلاف اکثر مواد، در هنگام سرد شدن کمی رشد می کند و در حین گرم شدن منقبض می شود.
خواص الکتریکی
گرافیت یک رسانای الکتریکی است و بنابراین برای اهدافی مانند الکترودهای لامپ قوس الکتریکی مناسب است. این می‌تواند الکتریسیته را حمل کند، زیرا الکترونهای زیادی در داخل لایه‌های کربن قرار دارند (که به آن معطر می‌گویند). اینها الکترونهای با ظرفیت آزاد هستند که می توانند الکتریسیته را هدایت کنند.
سایر خواص
- گرافیت می تواند نوترون های با سرعت بالا را جذب کند.
- گرافیت نقطه ذوب بسیار بالایی دارد و به تعریف الماس نزدیک می شود.
- در شرایط عادی، گرافیت با آب واکنش نشان نمی دهد. با این حال، در دمای مناسب، می تواند برای تولید ترکیبی از مونوکسید کربن و گاز هیدروژن واکنش نشان دهد.
کاربردهای گرافیت
- روان کننده ها و گریس ها
گرافیت به دلیل لایه شش ضلعی خود که هنگام واکنش با رطوبت هوا روی سطوح رسوب می کند، می تواند اصطکاک را از بین ببرد. توانایی های خود روانکاری گرافیت اصطکاک را تا حد زیادی کاهش می دهد و آن را برای سیستم های مکانیکی و همچنین موتورها و ماشین آلات صنعتی با جلوگیری از سایش ایده آل می کند.
- باتری ها
گرافیت بسیار پایدار است و جریان الکتریسیته را هدایت می کند که بهترین استفاده از آن را در باتری ها می کند. همچنین ظرفیت ذخیره سازی و آزادسازی انرژی خود را افزایش می دهد، بنابراین آن را به بخشی حیاتی از باتری ها برای بسیاری از فناوری های باتری تبدیل می کند.
- نسوزها
دیرگدازها در دمای بالا کار می کنند که گرافیت را برای این کار بهترین می کند زیرا دمای جوش و ذوب بسیار بالایی دارد. در بخش تولید استفاده می شود و به تولید شیشه، فولاد و آهن کمک می کند.
- قطعات الکتریکی
گرافیت دارای رسانایی الکتریکی استثنایی است که آن را در موارد مختلف ضروری می کند قطعات الکترونیکی. آنها شامل الکترودها و برس ها هستند زیرا بسیاری از وسایل الکترونیکی از طریق استفاده از آنها به نتایج قابل اعتماد و بهره وری کارآمد برای مدت طولانی دست می یابند.
- صنعت هسته ای
یکی از ویژگی های گرافیت توانایی آن در گرفتن نوترون های پرسرعت است که آن را برای تثبیت واکنش های هسته ای مناسب می کند. گرافیت می تواند دماهای بالا را تحمل کند و به عنوان تعدیل کننده نوترون عمل می کند که برای راکتورهای هسته ای اهمیت زیادی دارد.
- ورق های گرافن
از گرافیت برای ساخت گرافن استفاده می شود که در مقایسه با ورق های فولادی سبک تر و قوی تر است. در مقابل می توان از این ورق ها برای ساخت وسایل ورزشی استفاده کرد.
برای استفاده بیشتر از گرافیت لطفا اینجا را بررسی کنید.
نتیجه گیری
بر اساس بحث بالا، می‌توانیم ببینیم که گرافیت یکی از پرمصرف‌ترین اقلام در سیاره ما است و با گذشت زمان به ما کمک خواهد کرد.
سوالات متداول
- اگر بخواهم هزینه گرافیت را بدانم چطور؟
قیمت گرافیت تحت تأثیر عوامل مختلفی است، نه تنها عرضه و تقاضا در بازار بلکه تحت تأثیر انواع مختلف گرافیت نیز قرار دارد. قیمت گرافیت پولکی کوچک $1000-$2000/t و قیمت گرافیت طبیعی رده بالا $3000-$6000/t می باشد، در صورت تمایل به کسب اطلاعات بیشتر در مورد وضعیت قیمت، مستقیماً با Eastcarb تماس بگیرید و ما جدول قیمت دقیق را در اختیار شما قرار خواهیم داد.
- چگونه گرافیت را ذخیره کنیم تا ماهیت خود را حفظ کنیم؟
اگرچه گرافیت در طبیعت پایدار است، اما همیشه باید به ذخیره سازی گرافیت توجه کنید. اولین نکته این است که کنترل دما و رطوبت را کنترل کنید، در جای خشک قرار دهید و از دماهای بالا و تغییرات شدید دما اجتناب کنید. سپس برای جلوگیری از جمع شدن رطوبت، لازم است اتاق انبار تهویه شود. در نهایت، انواع مختلف گرافیت باید در انزوا ذخیره شوند تا از خراب شدن جلوگیری شود. اصولاً با پیروی از پیشنهادات فوق می توان کیفیت گرافیت را به خوبی حفظ کرد.
- جدیدترین بازارهای نوظهور گرافیت کدامند؟
ظهور بازارهای جدید با بازارهای نوظهور اخیر از جمله موزامبیک، تانزانیا، استرالیا، پاکستان، مصر و بسیاری از کشورهای غرب آفریقا، فرصت های بیشتری را برای تامین کنندگان گرافیت و صنایع بالادستی و پایین دستی آنها ایجاد می کند.
- هنگام پردازش گرافیت باید به چه نکاتی توجه کنم؟
گرد و غبار گرافیت ممکن است در برخی موارد بر سلامتی شما تأثیر بگذارد، بنابراین باید اقدامات احتیاطی را برای جلوگیری از استنشاق گرد و غبار در فرآیندهای صنعتی انجام دهید.
- چگونه کارایی گرافیت را افزایش دهیم؟
معمولاً می‌توانیم سطح آن را برای افزایش مقاومت، مقاومت در برابر خوردگی و هدایت الکتریکی آن درمان کنیم. روش های خاص شامل مواد پوشش اسپری، عملیات شیمیایی (تمیز کردن اسیدی یا قلیایی)، عملیات حرارتی، ماشینکاری، عملیات اشباع و غیره است.
