Le graphite est un matériau constitué d'atomes de carbone disposés en feuilles plates qui ressemblent à des motifs hexagonaux. Dans des conditions normales, il s'agit de carbone pur, dont on sait qu'il est assez stable. Le graphite est très conducteur électrique et thermique, très mou et de faible densité.
Types de graphite naturel
Graphite en flocons
Le matériau en carbone Le graphite lamellaire est soumis à une pression et une température élevées, ce qui permet de produire du graphite lamellaire naturel. Ces flocons sont souvent des flocons de neige miniatures qui s'empilent très facilement lorsqu'ils glissent les uns sur les autres, ce qui fait du graphite lamellaire un excellent lubrifiant. Il peut également fonctionner dans les batteries et les piles à combustible en raison de sa conductivité électrique élevée.
Les constructeurs automobiles sont les plus grands consommateurs de ce type de graphite naturel. Ces dernières années, la demande de graphite lamellaire a considérablement augmenté chez les fabricants de véhicules électriques hybrides et de piles à combustible.
Graphite de veine cristalline
C'est comme si nous avions des veines de graphite pur dans une roche métamorphique. Il s'agit d'un graphite cristallin présentant la plus grande pureté (jusqu'à 99% de carbone) et une conductivité électrique optimale. C'est comme un Superman en carbone réservé aux applications haut de gamme telles que les composants du réacteur nucléaire et les électrodes à performances extrêmes.
Le graphite cristallin est un minéral rare et précieux que l'on trouve en Chine et au Canada. Il peut également être utilisé de la même manière que le graphite en paillettes pour ses performances supérieures dans les opérations nécessitant une conductivité thermique et électrique élevée.
Graphite amorphe
60-85% de graphite amorphe contient du carbone fixe. C'est la forme la plus répandue de graphite, généralement découverte dans les roches sédimentaires comme le charbon et le schiste.
Le graphite amorphe est utile à de multiples fins, mais pas dans tous les scénarios.
En raison de la bonne résistance à la chaleur de ce minéral, il peut être utilisé dans la fabrication, où il est souvent utilisé comme creuset, moule, louche, auge ou buse.
D'autre part, de nombreuses électrodes de fours métallurgiques et de hauts fourneaux en graphite amorphe sont fabriquées. La Chine, le Mexique et la Corée du Nord produisent principalement cette forme polyvalente.
Graphite naturel vs graphite synthétique
Graphite naturel
Le graphite naturel provient de processus métamorphiques qui transforment la matière organique ancienne en ce minéral doux et stratifié.
Ils se présentent sous différentes formes, du graphite en grandes lamelles au cristallin pur. Selon un exercice d'analyse comparative réalisé par un praticien de premier plan en ACV, une anode en graphite naturel contient jusqu'à 14 CO2 équivalent.
Le graphite lamellaire est excellent dans les lubrifiants, les revêtements réfractaires et les crayons, tandis que le graphite cristallin fait ses preuves dans les réacteurs nucléaires et les électrodes à haute performance. Le graphite amorphe est présent dans le charbon et le schiste, ce qui confère sa résistance à la chaleur à la fonderie. Néanmoins, le graphite naturel a ses particularités.
L’exploitation minière a des conséquences environnementales et les instabilités géopolitiques peuvent perturber l’approvisionnement. De plus, ses imperfections intrinsèques, bien que généralement insignifiantes, sont parfois gênantes pour des utilisations particulières.
Graphite synthétique
Le graphite synthétique est fabriqué à partir de coke de pétrole ou de charbon et est soumis à plusieurs traitements à haute température et sous haute pression. Dans le cadre d'un processus à forte intensité énergétique, le coke est à nouveau chauffé à 2500-300°C. La chaleur peut provenir de mécanismes de combustion de charbon ou de pétrole. Ces processus entraînent d'énormes émissions de CO₂.
Cette pureté se traduit par une meilleure conductivité électrique et une meilleure stabilité thermique, ce qui est particulièrement adapté aux batteries lithium-ion, aux cellules solaires, etc. Cependant, la création de graphite synthétique a un coût. Son processus de production à forte intensité énergétique génère d'importantes émissions de carbone, ce qui soulève des inquiétudes quant à son empreinte environnementale. De plus, son coût élevé et sa dépendance aux combustibles fossiles soulèvent des questions de durabilité.
Comment se forme le graphite naturel
Le graphite se forme dans les roches métamorphiques en raison de la réduction des composés carbonés sédimentaires au cours de l'altération. On le trouve également dans les météorites et les roches ignées. Les minéraux associés au graphite comprennent le quartz, la calcite, les micas et la tourmaline.
Le graphite se trouve dans les météorites avec de la troïlite et des minéraux silicatés. La cliftonite fait référence aux petits cristaux graphitiques trouvés dans le fer météoritique. Certains petits grains semblent être isotopiques et leur composition indique qu'ils sont apparus avant le système solaire. Ils appartiennent à l'un des douze types de minéraux connus qui ont précédé le système solaire et ont également été trouvés dans des nuages moléculaires.
Procédé de fabrication du graphite synthétique
Avec le processus de transformation, il y a une série d'étapes dans la symphonie qui fait de quelque chose une matière première, le graphite synthétique (SG-BAM), pour batterie au lithium Matériaux d'anode. Chaque étape est importante, car elle permet au graphite synthétique d'obtenir ses caractéristiques uniques et sa compatibilité avec les dispositifs de stockage d'énergie. Explorons maintenant la danse complexe de la fabrication :
Production de coke de pétrole vert.
La production de coke de pétrole vert à partir de pétroles lourds utilisés pour le craquage catalytique ou le raffinage de l'essence sera la première étape. Le premier précurseur de carbone est utilisé dans la synthèse du graphite.
Calcination
Lors de la calcination du coke de pétrole vert, un processus à haute température a lieu entre 1300°C et 1400°C. Lorsque cette excursion de chaleur élimine les matières volatiles et les contaminants du coke, du coke en aiguilles est produit. Ce niveau de teneur en carbone plus élevé fournit le prototype parfait pour cette phase ultérieure.
Graphitisation
Le coke en aiguilles est ensuite soumis à des températures supérieures à 2500°C dans un four électrique pendant graphitisation. Les atomes de carbone se réorganisent lors de la surchauffe, ce qui transforme le coke en graphite. La graphitisation confère des caractéristiques plus avantageuses et améliore la conductivité de la substance graphite.
Post-traitement
D'autres techniques de post-traitement peuvent être utilisées après la graphitisation. Les batteries Li-ion sont également façonnables, classables ou revêtables pour offrir une efficacité et des performances de conditionnement exceptionnelles. D'autres utilisations peuvent avoir des exigences de post-traitement spécifiques différentes.
Structure en graphite
Arrangement de carbone
Imaginez un nid d'abeilles composé non pas de cire mais uniquement d'atomes de carbone. La caractéristique fondamentale du graphite est sa structure atomique.
Chaque atome de carbone est lié étroitement à trois autres dans une couche, ce qui crée un réseau extrêmement solide. Chaque atome de carbone se trouve au milieu d'un cercle à six côtés et forme de nombreuses feuilles hexagonales qui se poursuivent à l'infini.
Cette configuration est connue sous le nom d'hybridation sp² et permet à chaque atome de carbone de former trois liaisons covalentes très fortes avec ses voisins proches. Un électron supplémentaire peut se déplacer à travers toute la feuille.
De nombreuses particularités du graphite dépendent fortement de ces électrons libres.
Collage
Contrairement au diamant, où chaque atome de carbone possède quatre liaisons fortes qui les maintiennent ensemble pour créer une forme de boîte rigide, les connexions du graphite pointent dans une seule direction.
Les forces plus faibles qui maintiennent ces couches ensemble leur permettent de glisser comme des crêpes sur une plaque chauffante.
Ce lien unique révèle également la raison pour laquelle le graphite peut conduire l'électricité. Les électrons libres peuvent circuler facilement à travers les feuilles, ce qui en fait un bon choix pour les batteries et les électrodes.
Comparaison avec d'autres allotropes.
Contrairement à la dureté du diamant, le graphite possède des couches qui peuvent facilement se plier. Cela démontre la variation de forme ou de configuration du carbone (allotropes).
Alors qu'un diamant est disposé de manière tétraédrique, c'est-à-dire que chaque atome de carbone concurrent est lié à quatre autres, la structure hexagonale du graphite lui confère des propriétés fondamentalement différentes.
En examinant le graphite et les fullerènes, le fait qu'un fullerène ait une forme arrondie constitue sa construction en couches dans les graphiques.
Propriétés du graphite
Propriétés physiques
Couleur et apparence
Le graphite est disponible dans une gamme de couleurs variées, allant de l'aspect métallique brillant au gris foncé. Son aspect particulier le rend plus attrayant et plus facile à voir dans diverses applications.
Cette couleur intéressante est un bon choix pour les crayons, car elle donne aux images et aux dessins un aspect plus profond et plus excitant.
Densité et gravité spécifique
Le graphite est relativement léger malgré sa solidité. Ses nombreuses couches et ses espaces ouverts le maintiennent à flot dans l'eau. Il semble également peser une plume lorsqu'on le touche. Il est parfait pour les utilisations où le poids est critique, comme les pièces d'avion et les équipements de sport, car il n'est pas lourd.
Points de fusion et d'ébullition
Bien que le graphite soit parfait pour la conduction thermique, sa température de fusion se situe autour de 3 500 °C. Cette température de fusion élevée est idéale pour les applications à haute température : les objets fabriqués dans une fonderie et même les pièces des réacteurs nucléaires. Il est si chaud qu'un crayon prendrait feu si vous le mettiez dans un volcan.
Conductivité (électrique et thermique)
Les propriétés électriques et thermiques du graphite sont étroitement liées. Les électrons en mouvement dans ses couches transmettent facilement la chaleur et l'électricité. Cela en fait un appareil facile à recharger, à réchauffer des objets et même à utiliser des écrans tactiles. Pensez au défilement sur votre téléphone : ce mouvement fluide provient de la conductivité du graphite.
Propriétés de lubrification
Les couches de graphite lui permettent de glisser entre les couches, ce qui en fait un excellent lubrifiant. Il est également utilisé dans les applications où un glissement moindre et un mouvement plus fluide sont importants. C'est un excellent matériau pour les serrures, les roues et même les crayons.
Propriétés chimiques
Réactivité avec l'oxygène
À plus de 700 degrés, ce matériau se détache en couches et se transforme en dioxyde de carbone. Cela permet d'alimenter les feux et d'alimenter les grands fours qui font fondre les objets. Cette caractéristique renforce le matériau et le rend durable dans différents endroits, notamment dans l'air.
Réactivité avec l'oxygène
Le graphite, un élément généralement calme du monde chimique, peut avoir des problèmes avec l'oxygène lorsque les choses sont chaudes. Ce matériau se décolle en couches et se transforme en dioxyde de carbone lorsque la température dépasse 700 degrés. Cela allume le combustible et alimente de grands fours qui font fondre les choses. Cette caractéristique renforce le matériau et dure dans divers endroits, principalement autour de l'air.
Résistance aux acides et aux bases
Ses solides liaisons carbone-carbone et sa disposition en couches sont difficiles à rompre par la plupart des acides et des bases. Cela le rend idéal pour des applications telles que les revêtements de réacteurs chimiques et même de conteneurs pouvant contenir des métaux chauffés. Cet élément le rend plus adapté aux endroits dangereux qui pourraient aider à utiliser un large éventail de choses.
Oxydation et corrosion
Le graphite subit une transformation importante lorsqu'il est extrêmement chaud, mais en général, dans des conditions normales, ce changement se produit lentement et régulièrement. Il se corrode ou s'érode progressivement au fil du temps. Au fil du temps, cela crée une fine couche de dioxyde de carbone à sa surface créée par l'oxygène qui l'entoure. Il s'agit d'un processus d'usure lent, mais cela ne peut pas modifier les principales caractéristiques qui en font un matériau solide et fiable.
Propriétés mécaniques
Résistance et dureté
Le graphite est très solide et dur, il peut donc durer longtemps lorsqu'il est utilisé. Sa structure solide est composée de plusieurs couches. Chaque atome de carbone est attaché à deux autres dans les feuilles et, ensemble, ils restent solides sous pression.
Flexibilité et élasticité
Le diamant est certes dur et se brise très facilement, mais la structure unique du graphite lui permet de se plier remarquablement bien. Le graphite peut facilement s'étirer et se plier, ce qui le rend difficile à casser dans n'importe quelle situation. Il existe également de faibles forces entre les feuilles, ce qui leur permet de se plier et de se tordre sans se casser. Il convient aux joints, à la graisse et même aux amortisseurs.
Nature anisotrope
Le graphite n'est pas un matériau ordinaire. Ses propriétés changent selon que vous poussez ou tirez dans différentes directions. Il est solide le long des lignes, mais fragile et se glisse facilement entre elles. Cette caractéristique « anisotrope » est idéale pour les applications qui nécessitent des instructions détaillées dans une direction donnée, comme les boussoles et les gommes électriques.
Propriétés thermiques
Le graphite a une capacité thermique massique élevée, c'est-à-dire qu'il peut absorber beaucoup de chaleur sans changer de température de manière significative. Le graphite peut supporter des températures élevées sans dégradation significative, ce qui le rend adapté aux applications thermiques. Le graphite, contrairement à la plupart des matériaux, grossit légèrement lors du refroidissement et rétrécit lors du chauffage.
Propriétés électriques
Le graphite est un conducteur électrique et, par conséquent, il est adapté à des applications telles que les électrodes de lampes à arc. Il peut transporter l'électricité en raison de l'énorme délocalisation des électrons à l'intérieur des couches de carbone (appelée aromaticité). Il s'agit d'électrons à valence libre qui peuvent conduire l'électricité.
Autres propriétés
- Le graphite peut capturer des neutrons à grande vitesse.
- Le graphite a un point de fusion très élevé, proche de la définition d'un diamant.
- Dans des conditions normales, le graphite ne réagit pas avec l'eau. Cependant, à la bonne température, il peut réagir pour produire un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène gazeux.
Applications du graphite
- Lubrifiants et graisses
Le graphite peut éliminer les frottements grâce à sa couche hexagonale qui se dépose sur les surfaces lorsqu'elle réagit avec l'humidité de l'air. Les capacités autolubrifiantes du graphite réduisent considérablement les frottements, ce qui le rend idéal pour les systèmes mécaniques ainsi que pour les moteurs et les machines industrielles en empêchant l'usure.
- Piles
Le graphite est très stable et conduit l'électricité, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans les batteries. Il améliore également sa capacité de stockage et de libération d'énergie, ce qui en fait un élément essentiel des batteries pour de nombreuses technologies de batteries.
- Réfractaires
Les réfractaires fonctionnent à haute température, ce qui rend le graphite le matériau le plus adapté à cette utilisation, car il présente des températures d'ébullition et de fusion extrêmement élevées. Il est utilisé dans le secteur manufacturier et permet de produire du verre, de l'acier et du fer.
- Composants électriques
Le graphite possède une conductivité électrique exceptionnelle, ce qui le rend essentiel dans divers composants électroniquesIls comprennent des électrodes et des brosses car, grâce à leur utilisation, de nombreux appareils électroniques obtiennent des résultats fiables et une productivité efficace pendant longtemps.
- Industrie nucléaire
L'une des propriétés du graphite est sa capacité à capturer des neutrons à grande vitesse, ce qui le rend idéal pour stabiliser les réactions nucléaires. Le graphite peut résister à des températures élevées et fonctionne comme modérateur de neutrons, ce qui est d'une grande importance pour les réacteurs nucléaires.
- Feuilles de graphène
Le graphite est utilisé pour fabriquer du graphène, un matériau plus léger et plus résistant que les feuilles d'acier. En contrepartie, ces feuilles peuvent être utilisées pour fabriquer des équipements sportifs.
Pour plus d'utilisations du graphite, veuillez Vérifiez ici.
Conclusion
Sur la base de la discussion ci-dessus, nous pouvons voir que le graphite est l’un des éléments les plus fréquemment utilisés sur notre planète et qu’il sera nécessaire pour nous aider davantage au fil du temps.
FAQ
- Et si je souhaite connaître le prix du graphite ?
Les prix du graphite sont influencés par divers facteurs, non seulement par l'offre et la demande du marché, mais aussi par les différents types de graphite. Le prix du graphite en petites paillettes est de $1000-$2000/t, et le prix du graphite naturel haut de gamme est de $3000-$6000/t, si vous souhaitez en savoir plus sur la situation des prix, contactez directement Eastcarb et nous vous fournirons un tableau de cotation détaillé.
- Comment stocker le graphite pour conserver sa nature ?
Bien que le graphite soit stable par nature, vous devez toujours faire attention au stockage du graphite. La première chose à faire est de contrôler la température et l'humidité, de le placer dans un endroit sec et d'éviter les températures élevées et les changements de température violents. Ensuite, il est également nécessaire de maintenir la pièce de stockage ventilée pour éviter l'accumulation d'humidité. Enfin, les différents types de graphite doivent être stockés de manière isolée pour éviter leur détérioration. En suivant les suggestions ci-dessus, la qualité du graphite peut être bien maintenue.
- Quels sont les marchés émergents les plus récents pour le graphite ?
L’émergence de nouveaux marchés crée davantage d’opportunités pour les fournisseurs de graphite et leurs industries en amont et en aval, les marchés émergents récents comprenant le Mozambique, la Tanzanie, l’Australie, le Pakistan, l’Égypte et de nombreux pays d’Afrique de l’Ouest.
- À quoi dois-je faire attention lors du traitement du graphite ?
La poussière de graphite peut affecter votre santé dans certains cas, vous devez donc prendre des précautions pour éviter d'inhaler la poussière pendant les processus industriels.
- Comment augmenter les performances du graphite ?
En général, nous pouvons procéder à un traitement de surface pour augmenter sa résistance, sa résistance à la corrosion et sa conductivité électrique. Les méthodes spécifiques comprennent le revêtement par pulvérisation, le traitement chimique (nettoyage acide ou alcalin), le traitement thermique, l'usinage, le traitement d'imprégnation, etc.
