Qu'est-ce que le matériau graphite ?
Le graphite est un allotrope de carbone sous forme cristalline avec une structure en treillis hexagonale. Présent à l'état naturel, il constitue des couches de graphène et, dans des conditions normales, constitue la forme de carbone la plus stable. Le diamant est formé en soumettant le graphite à une température et une pression élevées.
Types de graphite synthétique
Les conditions de production du graphite synthétique peuvent être ajustées. Il est donc possible d'obtenir différentes formes ou types de graphite synthétique. Parmi les matériaux en graphite synthétique couramment produits, on trouve :
Le graphite pyrolytique est produit par dépôt chimique en phase vapeur. Ce procédé implique le dépôt d'atomes de carbone sur un substrat à des températures élevées dans un environnement de gaz d'hydrocarbures. Il en résulte la formation d'un graphite hautement orienté et cristallin. Le graphite produit par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur contient très peu d'impuretés. Le graphite pyrolytique est anisotrope et présente une conductivité thermique exceptionnelle latéralement. Il présente également un faible coefficient de dilatation thermique utile pour offrir une stabilité dimensionnelle sur une large plage de températures.
Ce graphite synthétique est formé par compactage à froid des matières premières en blocs façonnés dans une presse isostatique. Ici, il y a une application uniforme de la pression dans toutes les directions, ce qui se traduit par une densité et des propriétés du matériau uniformes. Parmi les graphites synthétiques, le graphite isostatique a les plus petites tailles de grains. Une fine poudre de graphite dans un moule flexible est soumise à une haute pression dans une presse isostatique à partir d'un liquide spécialisé. Le graphite isostatique est isotrope avec des propriétés uniformes dans l'ensemble et est capable de produire du graphite de haute pureté. Le matériau graphite a une microstructure homogène, avec un contrôle dimensionnel précis et des performances déterminables. Le graphite isostatique trouve une utilisation dans le frittage industriel, les applications à haute température et la production de composants semi-conducteurs.
Le graphite moulé est produit par un procédé de moulage dans lequel les particules de graphite sont comprimées dans un moule. Après avoir placé la poudre de graphite dans un moule de la forme souhaitée, une pression est appliquée pour compacter la poudre. Un processus de chauffage du moule suit le frittage des particules de graphite en un solide. Le graphite moulé peut avoir des propriétés directionnelles mais permet la production de composants en graphite de différentes formes. Par rapport au pressage isostatique, le moulage du graphite est plus rentable étant donné la possibilité de créer des formes et des tailles personnalisées. Le graphite moulé trouve une utilisation dans l'industrie de la fonderie pour la fabrication de composants tels que des creusets. Il est également utilisé dans les applications de coulée continue pour la production de pièces métalliques.
Le graphite vibré est produit par moulage par vibration qui implique l'utilisation d'un mécanisme vibrant pour compacter et façonner les particules de graphite. Les particules de graphite sous forme de poudre sont soumises à des vibrations dans un moule provoquant le compactage des particules de graphite. Cette forme de graphite peut présenter des propriétés directionnelles en fonction de l'orientation du moulage. De plus, elle peut présenter des densités variables. Le graphite moulé par vibration est utile dans les applications de coulée continue et est apprécié pour sa polyvalence de mise en forme.
Ce type de graphite synthétique est produit par un procédé d'extrusion. Dans ce cas, le mélange de poudre de graphite et de liant est forcé à travers une filière pour créer un profil continu. Ensuite, le matériau est traité thermiquement pour éliminer le liant et fritter les particules de graphite en un bloc solide et cohésif. La filière est généralement façonnée selon la section transversale souhaitée et le produit est coupé en longueurs préférées. Le graphite extrudé a une densité modérée et peut présenter des propriétés anisotropes. De plus, avec le procédé d'extrusion, il est possible de produire des profils uniformes et continus.
Formule et symbole du graphite
En tant qu'allotrope du carbone, le graphite est noté C et le symbole Gr de l'Association minéralogique internationale (IMA) est Gr. Il se présente sous forme pure et existe en couches distinctes avec des liaisons faibles appelées graphène. Il existe deux formes de cet élément minéral en fonction de la structure du réseau, alpha et bêta.
Matériau en graphite naturel vs graphite synthétique
Le graphite naturel se forme naturellement grâce à une combinaison de processus géologiques soutenus s'étalant sur des millions d'années. Il est obtenu par l'exploitation minière sous trois formes principales : graphite en paillettes cristallines, graphite amorphe et graphite filonien/en morceaux.
Le graphite naturel a une structure irrégulière et stratifiée et peut contenir des impuretés comme du silicium, du soufre ou d’autres éléments.
Le graphite synthétique est produit en soumettant un composé de carbone comme le charbon et un liant à des processus à haute température. Il existe différentes formes de graphite synthétique comme le graphite pyrolytique et le graphite isotrope. Avec ce type de graphite, vous pouvez obtenir une structure contrôlée avec une grande pureté.
Le graphite synthétique peut être isotrope ou anisotrope selon le procédé de fabrication. Étant donné qu'il est fabriqué dans des conditions particulières, les propriétés du graphite synthétique peuvent être conçues et déterminées au cours du processus de fabrication.
Le graphite en tant qu'élément de carbone possède plusieurs propriétés uniques qui influencent son utilisation dans diverses applications.
Propriétés mécaniques
Bien que sa dureté ne soit pas comparable à celle du diamant, le graphite présente une résistance mécanique relativement modérée. Sa résistance mécanique est déterminée par sa structure en treillis et les faibles forces inter-couches.
Compte tenu de ces forces faibles, le graphite présente une certaine flexibilité qui permet une déformation limitée sous contrainte capable de supporter certaines charges mécaniques. Les propriétés mécaniques du graphite varient en fonction de la direction d'application de la force, se cisaillant facilement latéralement mais résistant aux contraintes perpendiculaires.
Propriétés thermiques
Le graphite présente une conductivité thermique élevée grâce à sa structure facilitant un transfert de chaleur efficace le long de l'axe plan. Cette forme de carbone présente également un point de fusion élevé dépassant 3 000 °C, ce qui permet des applications à haute température comme dans les fours.
Le graphite passe de l'état solide à l'état gazeux en se déformant dans une atmosphère de gaz inerte à plus de 2450 °C. La sublimation peut également se produire à 3750 °C en l'absence d'oxygène. La faible capacité thermique massique du graphite lui permet de réagir rapidement aux changements de température.
Le graphite subit également une dilatation et une contraction minimales en raison de ces changements de température résultant de son faible coefficient de dilatation. Ceci est particulièrement utile lorsque la stabilité dimensionnelle est essentielle. La stabilité thermique affichée par le graphite dans des environnements réducteurs ou à haute température est également formidable.
Le graphite présente une conductivité thermique anisotrope avec un transfert effectif le long du réseau plutôt que perpendiculairement à celui-ci. Lorsque le graphite est soumis à des variations de température, il réagit sans se fracturer grâce à sa résistance aux chocs thermiques.
Propriétés électriques
Le graphite est caractérisé par des électrons délocalisés dans sa structure réticulaire, ce qui permet la conduction de l'électricité. Les atomes de carbone du graphite constituent quatre électrons de valence, dont seulement trois sont capables de se lier. Le quatrième électron libre permet ainsi la conductivité.
Propriétés chimiques
Le graphite est très résistant aux produits chimiques et ne réagit pas avec la plupart des produits chimiques. Cette inertie chimique le rend idéal lorsqu'une stabilité chimique est souhaitée ou dans des environnements corrosifs.
Le pouvoir lubrifiant naturel du graphite permet de l'utiliser comme lubrifiant solide pour réduire les frottements là où les lubrifiants liquides ne sont pas pratiques. Cela est dû aux couches de carbone faiblement liées qui glissent facilement les unes sur les autres.
Le processus de fabrication du graphite synthétique implique des processus à température élevée. De plus, un contrôle précis des paramètres est exercé pour atteindre les niveaux de pureté et les propriétés matérielles souhaités.
La production de graphite synthétique utilise du coke ou du charbon comme matière première principale, ainsi que du liant à base de brai. Il existe deux procédés de fabrication couramment utilisés : le procédé Acheson et le traitement à haute température des composés de carbone.
Processus d'Acheson
Dans ce procédé, du coke et du graphite finement broyés sont soumis à un chauffage dans un four à résistance électrique à plus de 2450 °C. Une réaction chimique se produit, transformant une partie du carbone en graphite et en carbure de silicium. Le graphite est refroidi puis broyé pour obtenir la taille souhaitée.
Traitement à haute température
Les composés de carbone comme le coke ou le charbon sont soumis à des températures élevées comprises entre 2400 et 3000 °C. Le processus, appelé pyrolyse, transforme le carbone contenu en graphite. Une procédure de refroidissement et de broyage s'ensuit pour obtenir la consistance souhaitée.
Graphitisation
Dans ce procédé, le matériau carboné est soumis à des températures élevées dépassant 2500 °C dans des conditions contrôlées. Le résultat est le réarrangement des atomes de carbone dans une structure de réseau hexagonal.
Traitements
Le graphite formé peut ensuite être traité pour déterminer les niveaux de pureté ou modifier les propriétés de surface des particules. Le graphite peut également être associé à d'autres composés pour modifier les propriétés globales du matériau.
Après avoir produit du graphite synthétique, il peut être formé par divers moyens tels que le moulage, l'extrusion et l'usinage.
Usinage du graphite
Le processus d'usinage du graphite consiste à façonner et à finir le matériau en graphite pour obtenir la finition et l'apparence souhaitées. Différents outils sont utilisés, tels que des outils en diamant ou en carbure. Lors de l'usinage du graphite, tenez compte de sa fragilité et de son anisotropie.
Fraisage du graphite
Lors du fraisage du graphite, vous retirez de la matière de la pièce à usiner à l'aide de fraises rotatives telles que des fraiseuses pour obtenir certaines formes. Les outils en carbure de ces machines sont utilisés pour leur résistance à l'usure et leur dureté.
Pour obtenir un enlèvement de matière efficace, un usinage à grande vitesse est utilisé. Étant donné que le graphite produit de fines particules, il est essentiel de contrôler la poussière pour garantir un processus fluide et réduire les risques pour la santé.
Tournage du graphite
Lors du tournage d'une pièce en graphite, celle-ci est tournée contre un outil de coupe, généralement pour créer des profils cylindriques. Le tournage est un processus de fabrication soustractif car il implique un enlèvement de matière. Les tours CNC sont couramment utilisés dans le tournage du graphite, offrant une grande précision et une grande automatisation.
Les outils de coupe d'une machine de tournage utilisés pour le graphite possèdent une dureté et une résistance à l'usure élevées. Il s'agit notamment d'outils revêtus de diamant et de carbure. La vitesse de coupe, l'avance et la profondeur de coupe sont quelques-uns des aspects à prendre en compte lors du tournage du graphite.
Le graphite étant cassant, il est nécessaire de minimiser les vibrations et de fournir un support adéquat à la pièce à usiner pour éviter la rupture de l'outil et l'écaillage. Le graphite de tournage peut être utilisé dans la fabrication de roulements et de joints en graphite.
Meulage du graphite
Le meulage au graphite utilise des outils abrasifs pour éliminer la matière afin d'obtenir la finition de surface et/ou les dimensions souhaitées. Il est généralement utilisé comme opération de finition à l'aide de meules avec des particules abrasives.
Les abrasifs les plus couramment utilisés sont le nitrure de bore cubique et le diamant. Lors du meulage du graphite, la précision est essentielle pour obtenir des finitions de surface soignées et des tolérances serrées. L'utilisation de liquides de refroidissement n'est pas nécessaire en raison du risque de contamination.
Graphite de forage
La création de trous dans des pièces en graphite est rendue possible par le perçage à l'aide de forets. Ces forets peuvent être à commande numérique par ordinateur ou manuels, le premier offrant une plus grande précision. Lors du perçage du graphite, vous devez fixer la pièce pour éviter tout mouvement pendant l'opération de perçage.
Il existe différentes méthodes de perçage, comme le perçage hélicoïdal, le perçage par enfoncement, le perçage au centre, le lamage et le fraisage. Lors du perçage, vous devez tenir compte de facteurs tels que la profondeur et la taille du trou. Ces facteurs seront influencés par le foret et la vitesse de perçage.
Grâce aux propriétés remarquables du graphite, notamment en termes de lubrification, de conductivité électrique et de tolérance thermique, il trouve de nombreuses utilisations dans de nombreux secteurs industriels. Certaines de ces utilisations sont répertoriées comme suit :
Le graphite dans l'industrie nucléaire
L'une des principales applications du graphite dans l'industrie nucléaire est son utilisation dans certains réacteurs comme matériau modérateur. Dans ce rôle, il ralentit le mouvement des neutrons, ce qui permet l'apparition de réactions nucléaires soutenues.
Les enveloppes des canaux de combustible des réacteurs avancés refroidis au gaz sont fabriquées en graphite. Ce matériau tolère les températures élevées et les conditions d'irradiation tout en offrant stabilité et support mécanique.
De plus, le graphite offre une protection contre les radiations car il peut atténuer les effets des radiations. Cette propriété permet son utilisation dans la fabrication d'équipements de protection individuelle et également dans le stockage à long terme des déchets nucléaires.
Le graphite dans la métallurgie
La stabilité à haute température et l'inertie chimique du graphite en font un matériau réfractaire idéal en métallurgie. Un matériau réfractaire est essentiellement résistant à la chaleur ou à la décomposition chimique. Un tel matériau conserve en revanche ses propriétés physiques et sa structure.
Le graphite peut être utilisé pour fabriquer des briques réfractaires, seul ou mélangé à du magnésium. Cette utilisation est importante dans la coulée continue de l'acier et s'étend à la fabrication de creusets et de moules utilisés pour contenir les métaux en fusion.
Dans la coulée continue de l'acier, le graphite est associé à la zircone et à l'alumine pour fabriquer des buses, des quenouilles et des poches. Ces éléments permettent de réguler le flux d'acier en fusion tout en le protégeant contre l'oxydation.
Les blocs de graphite sont également utilisés dans la production de fer pour revêtir les hauts fourneaux. Leur résistance thermique élevée et leur faible dilatation thermique sont des facteurs qui renforcent leur utilisation à cette fin. Ils sont également utilisés dans les fours métallurgiques comme électrodes.
Le graphite dans l'industrie chimique
L'utilisation du graphite dans l'industrie chimique est due à son inertie chimique et à sa stabilité thermique qui le rendent insensible aux réactions exothermiques. Le graphite est utilisé dans la fabrication d'équipements résistants à la corrosion utilisés dans les processus chimiques, comme les réacteurs utilisés dans les laboratoires.
Les systèmes de tuyauterie des usines chimiques utilisent des tuyaux et des raccords en graphite pour transporter des liquides corrosifs tels que des acides et des solutions basiques. De plus, le graphite est utilisé dans la fabrication de joints et de joints chimiques pour la prévention des fuites.
L'électrolyse de la saumure produit de l'hydrogène, du chlore et de l'hydroxyde de sodium, le graphite étant utilisé pour les électrodes. D'autres procédés électrochimiques comme la galvanoplastie utilisent également des électrodes en graphite. De plus, dans les réactions utilisant des catalyseurs, le graphite peut servir de matériau de support.
Le graphite dans l'industrie électrique
Le graphite est utilisé dans de nombreuses applications dans l'industrie électrique, notamment dans les électrodes de batteries, par exemple les batteries lithium-ion. Dans ce cas, le graphite est utilisé comme matériau d'anode. Le graphite est également capable de conductivité électrique avec une faible résistivité.
Ses propriétés électriques permettent son utilisation dans les moteurs et générateurs électriques pour réaliser des balais et des contacts. Les balais en graphite offrent un chemin conducteur entre le rotor et la partie fixe, ce qui garantit l'absence de perturbation du flux électrique.
De plus, la lubrification du graphite est essentielle pour réduire le frottement, empêchant ainsi l'usure et assurant une conductivité électrique régulière. Ceci est illustré par les contacts électriques coulissants observés dans les résistances variables, les commutateurs et les potentiomètres.
La tolérance thermique élevée du graphite permet son utilisation dans la gestion de la chaleur des appareils électroniques, évitant ainsi la surchauffe. L'utilisation du graphite comme matériau d'interface thermique ou comme dissipateur thermique aide les composants électroniques à dissiper la chaleur générée.
Les thermocouples utilisés dans les environnements à haute température utilisent du graphite comme matériau de protection. L'inertie chimique du matériau protège le thermocouple des gaz corrosifs, garantissant ainsi des mesures de température précises.
En raison de ses propriétés lubrifiantes, le graphite est utilisé comme lubrifiant sec lorsque les lubrifiants liquides ne conviennent pas. Par exemple, les roulements en graphite peuvent fonctionner sans nécessiter de graissage. Le graphite peut également être utilisé pour augmenter les propriétés thermiques des matériaux composites utilisés dans les domaines de l'automobile et de l'aérospatiale.
Ce matériau est utilisé dans les segments de piston et les chemises de cylindre des moteurs hautes performances en raison de sa réduction des frottements et de son excellente résistance à l'usure. L'usinabilité du graphite et la stabilité à la température permettent la production de matrices et de moules pour la coulée de métaux.
Utilisation du graphite dans l'industrie automobile et aérospatiale
Les plaquettes et garnitures de freins pour véhicules et avions utilisent du graphite en raison de ses propriétés de friction supérieures qui améliorent les performances de freinage. Sa stabilité à haute température et sa résistance chimique permettent une application dans les joints et les joints de moteurs automobiles.
Lors du développement de matériaux composites pour les pièces et composants d'avions tels que le fuselage, le graphite est utilisé pour ses qualités thermiques et sa résistance chimique. Ce matériau est également utilisé dans les tuyères de fusées d'avions et les chambres de poussée pour sa stabilité thermique et sa résistance à la corrosion.
