ग्रेफाइट सामग्री

कार्बन तत्व के रूप में ग्रेफाइट में कई अद्वितीय गुण होते हैं जो विभिन्न अनुप्रयोगों में इसके उपयोग को प्रभावित करते हैं।

यांत्रिक विशेषताएं

भले ही इसकी कठोरता हीरे के बराबर न हो, लेकिन ग्रेफाइट अपेक्षाकृत मध्यम यांत्रिक शक्ति प्रदर्शित करता है। इसकी यांत्रिक शक्ति इसकी जाली संरचना और कमजोर अंतर-परत बलों द्वारा निर्धारित होती है।

इन कमज़ोर बलों को देखते हुए, ग्रेफाइट कुछ लचीलापन प्रदर्शित करता है जो तनाव के तहत सीमित विरूपण की अनुमति देता है जो कुछ यांत्रिक भारों को झेलने में सक्षम है। ग्रेफाइट के यांत्रिक गुण बल के अनुप्रयोग की दिशा के साथ भिन्न होते हैं, आसानी से पार्श्व में कतरनी करते हैं लेकिन लंबवत तनाव के लिए प्रतिरोधी होते हैं।

थर्मल विशेषताएं

ग्रेफाइट में उच्च तापीय चालकता होती है, इसकी संरचना के कारण यह समतल अक्ष के साथ प्रभावी ऊष्मा स्थानांतरण को सुगम बनाता है। इस कार्बन रूप में 3,000 °C से अधिक उच्च गलनांक भी होता है, जो भट्टियों जैसे उच्च ताप अनुप्रयोगों की अनुमति देता है।

ग्रेफाइट 2450 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर निष्क्रिय गैस के वातावरण में विकृत होकर ठोस से गैस में बदल जाता है। ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में 3750 डिग्री सेल्सियस पर भी उर्ध्वपातन हो सकता है। ग्रेफाइट की कम विशिष्ट ऊष्मा क्षमता इसे तापमान परिवर्तनों पर तुरंत प्रतिक्रिया करने की अनुमति देती है।

ग्रेफाइट भी इन तापमान परिवर्तनों के साथ न्यूनतम विस्तार और संकुचन से गुजरता है, जिसके परिणामस्वरूप उनका विस्तार गुणांक कम होता है। यह विशेष रूप से उपयोगी है जहाँ आयामी स्थिरता महत्वपूर्ण है। कम करने वाले या उच्च तापमान वाले वातावरण में ग्रेफाइट द्वारा प्रदर्शित थर्मल स्थिरता भी दुर्जेय है।

ग्रेफाइट जाली के लंबवत के बजाय प्रभावी हस्तांतरण के साथ अनिसोट्रोपिक तापीय चालकता प्रदर्शित करता है। जब ग्रेफाइट तापमान परिवर्तनों के अधीन होता है, तो यह थर्मल शॉक के प्रतिरोध के कारण फ्रैक्चरिंग के बिना प्रतिक्रिया करता है।

विद्युत गुण

ग्रेफाइट में इसकी जाली संरचना के भीतर विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉन होते हैं जो विद्युत चालन की अनुमति देते हैं। ग्रेफाइट में कार्बन परमाणु चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन बनाते हैं जिनमें से केवल तीन ही बंधन बनाने में सक्षम होते हैं। इस प्रकार मुक्त चौथा इलेक्ट्रॉन चालकता को संभव बनाता है।

रासायनिक गुण

ग्रेफाइट अत्यधिक रासायनिक प्रतिरोधी है और अधिकांश रसायनों के साथ गैर-प्रतिक्रियाशील है। यह रासायनिक निष्क्रियता इसे उन जगहों पर आदर्श बनाती है जहाँ रासायनिक स्थिरता वांछित है या संक्षारक वातावरण में।

ग्रेफाइट की प्राकृतिक चिकनाई घर्षण को कम करने में उपयोग की अनुमति देती है, जहाँ तरल स्नेहक अव्यावहारिक होते हैं, एक ठोस स्नेहक के रूप में। यह कमज़ोर रूप से बंधी कार्बन परतों के कारण है जो आसानी से एक दूसरे पर फिसलती हैं।

सिंथेटिक ग्रेफाइट के निर्माण की प्रक्रिया में उच्च तापमान प्रक्रियाएं शामिल हैं। इसके अतिरिक्त, वांछित शुद्धता स्तर और सामग्री गुणों को प्राप्त करने के लिए सटीक पैरामीटर नियंत्रण का प्रयोग किया जाता है।

सिंथेटिक ग्रेफाइट उत्पादन में पिच बाइंडर के साथ-साथ कोक या कोयले का उपयोग प्राथमिक कच्चे माल के रूप में किया जाता है। दो सामान्य रूप से इस्तेमाल की जाने वाली विनिर्माण प्रक्रियाएँ हैं: एचेसन प्रक्रिया और कार्बन के यौगिकों का उच्च तापमान उपचार।

एचेसन प्रक्रिया

इस प्रक्रिया में, बारीक पिसे हुए कोक और ग्रेफाइट को 2450 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर विद्युत प्रतिरोध भट्टी में गर्म किया जाता है। एक रासायनिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप कुछ कार्बन सिलिकॉन कार्बाइड के साथ ग्रेफाइट में बदल जाता है। ग्रेफाइट को ठंडा किया जाता है और उसके बाद वांछित आकार प्राप्त करने के लिए कुचला जाता है।

उच्च तापमान उपचार

कोक या कोयले जैसे कार्बन यौगिकों को 2400-3000 डिग्री सेल्सियस के बीच के उच्च तापमान पर रखा जाता है। इस प्रक्रिया को पायरोलिसिस कहा जाता है, जो कार्बन सामग्री को ग्रेफाइट में बदल देता है। वांछित [लेख स्थिरता] प्राप्त करने के लिए एक शीतलन और क्रशिंग प्रक्रिया का पालन किया जाता है।

ग्राफिटाइजेशन

इस प्रक्रिया में, कार्बन पदार्थ को नियंत्रित परिस्थितियों में 2500 डिग्री सेल्सियस से अधिक ऊंचे तापमान पर रखा जाता है। इसका परिणाम कार्बन परमाणुओं को षट्कोणीय जाली संरचना में पुनर्व्यवस्थित करना है।

उपचार

गठित ग्रेफाइट का उपचार शुद्धता के स्तर को निर्धारित करने या कण की सतह के गुणों को संशोधित करने के लिए किया जा सकता है। सामग्री के समग्र गुणों को बदलने के लिए ग्रेफाइट को अन्य यौगिकों के साथ भी जोड़ा जा सकता है।

सिंथेटिक ग्रेफाइट का उत्पादन करने के बाद, इसे मोल्डिंग, एक्सट्रूज़न और मशीनिंग जैसे विभिन्न तरीकों से बनाया जा सकता है।

ग्रेफाइट मशीनिंग

ग्रेफाइट की मशीनिंग की प्रक्रिया में वांछित फिनिश और उपस्थिति प्राप्त करने के लिए ग्रेफाइट सामग्री को आकार देना और फिनिशिंग करना शामिल है। हीरे या कार्बाइड उपकरण जैसे विभिन्न उपकरणों का उपयोग किया जाता है। ग्रेफाइट की मशीनिंग करते समय इसकी भंगुरता और विषमता पर विचार करें।

ग्रेफाइट मिलिंग

ग्रेफाइट की मिलिंग करते समय, आप मिलिंग मशीन जैसे रोटरी कटर का उपयोग करके वर्कपीस से सामग्री निकालते हैं ताकि कुछ खास आकार प्राप्त किए जा सकें। ऐसी मशीनों में कार्बाइड टूलिंग का उपयोग उनके पहनने के प्रतिरोध और कठोरता के लिए किया जाता है।

कुशल सामग्री निष्कासन प्राप्त करने के लिए, उच्च गति वाली मशीनिंग का उपयोग किया जाता है। चूंकि ग्रेफाइट से बारीक कण निकलते हैं, इसलिए सुचारू प्रक्रिया सुनिश्चित करने और स्वास्थ्य संबंधी खतरों को कम करने के लिए धूल नियंत्रण का अभ्यास करना आवश्यक है।

ग्रेफाइट को मोड़ना

ग्रेफाइट वर्कपीस को मोड़ते समय, इसे आमतौर पर बेलनाकार प्रोफाइल बनाने के लिए एक कटिंग टूल के खिलाफ घुमाया जाता है। टर्निंग एक घटिया विनिर्माण प्रक्रिया है क्योंकि इसमें सामग्री को हटाना शामिल है। सीएनसी टर्निंग मशीनें उच्च परिशुद्धता और स्वचालन प्रदान करते हुए ग्रेफाइट को मोड़ने में आम उपयोग पाती हैं।

ग्रेफाइट के लिए इस्तेमाल की जाने वाली टर्निंग मशीन में कटिंग टूल्स में उच्च कठोरता और घिसाव प्रतिरोध होता है। इनमें डायमंड-कोटेड टूल्स और कार्बाइड शामिल हैं। ग्रेफाइट को टर्न करते समय कटिंग स्पीड, फीड रेट और कट की गहराई कुछ ऐसे पहलू हैं जिन पर विचार करना चाहिए।

चूंकि ग्रेफाइट भंगुर होता है, इसलिए उपकरण के टूटने और छिलने से बचाने के लिए कंपन को कम करना और पर्याप्त वर्कपीस सपोर्ट प्रदान करना आवश्यक है। टर्निंग ग्रेफाइट का उपयोग बियरिंग और ग्रेफाइट सील बनाने में किया जा सकता है।

ग्रेफाइट पीसना

ग्रेफाइट पीसने में सामग्री को हटाने के लिए अपघर्षक उपकरणों का उपयोग किया जाता है ताकि वांछित सतह खत्म और/या आयाम प्राप्त किया जा सके। इसे आमतौर पर अपघर्षक कणों के साथ पीसने वाले पहियों का उपयोग करके परिष्करण ऑपरेशन के रूप में लागू किया जाता है।

आम तौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले अपघर्षक क्यूबिक बोरॉन नाइट्राइड और डायमंड हैं। ग्रेफाइट को पीसते समय, सतह की महीन फिनिश और सख्त सहनशीलता प्राप्त करने के लिए सटीकता आवश्यक है। संदूषण के जोखिम के कारण शीतलक का उपयोग आवश्यक नहीं है।

ड्रिलिंग ग्रेफाइट

ग्रेफाइट वर्कपीस में छेद बनाना ड्रिल बिट्स का उपयोग करके ड्रिलिंग करके संभव बनाया गया है। ये ड्रिल कंप्यूटर संख्यात्मक नियंत्रण या मैनुअल के तहत हो सकते हैं, पूर्व में उच्च परिशुद्धता प्रदान की जाती है। ग्रेफाइट ड्रिलिंग करते समय, आपको ड्रिलिंग ऑपरेशन के दौरान हिलने से रोकने के लिए वर्कपीस को सुरक्षित करने की आवश्यकता होती है।

ड्रिलिंग के अलग-अलग तरीके हैं जैसे ट्विस्ट ड्रिलिंग, पेक ड्रिलिंग, सेंटर ड्रिलिंग और काउंटर बोरिंग और सिंकिंग। ड्रिलिंग करते समय आप छेद की गहराई और आकार जैसे पहलुओं पर विचार करते हैं। ये ड्रिल बिट और गति से प्रभावित होंगे।

चिकनाई, विद्युत चालकता और तापीय सहनशीलता सहित ग्रेफाइट के उल्लेखनीय गुणों के कारण, इसका उद्योगों में कई उपयोग होता है। इनमें से कुछ उपयोग इस प्रकार हैं:

परमाणु उद्योग में ग्रेफाइट

परमाणु उद्योग में ग्रेफाइट का एक प्रमुख अनुप्रयोग कुछ रिएक्टरों में मॉडरेटर सामग्री के रूप में इसका उपयोग है। इस भूमिका में, यह न्यूट्रॉन की गति को धीमा कर देता है जिससे निरंतर परमाणु प्रतिक्रियाएँ संभव हो पाती हैं।

उन्नत गैस-कूल्ड रिएक्टरों में ईंधन चैनलों के लिए आवरण ग्रेफाइट से बनाए जाते हैं। यह सामग्री उच्च तापमान और विकिरण स्थितियों को सहन करती है, साथ ही स्थिरता और यांत्रिक सहायता भी प्रदान करती है।

इसके अलावा, ग्रेफाइट विकिरण परिरक्षण प्रदान करता है क्योंकि यह विकिरण प्रभावों को कम कर सकता है। यह गुण व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण बनाने और परमाणु कचरे के दीर्घकालिक भंडारण में इसके उपयोग की अनुमति देता है।

धातुकर्म में ग्रेफाइट

ग्रेफाइट की उच्च तापमान स्थिरता और रासायनिक निष्क्रियता इसे धातु विज्ञान में एक दुर्दम्य सामग्री के रूप में उपयोग करने के लिए आदर्श बनाती है। एक दुर्दम्य सामग्री अनिवार्य रूप से गर्मी या रासायनिक अपघटन के लिए प्रतिरोधी होती है। ऐसी सामग्री, इसके बजाय अपने भौतिक गुणों और संरचना को बरकरार रखती है।

ग्रेफाइट का उपयोग अकेले या मैग्नीशियम के साथ मिलाकर आग रोक ईंटें बनाने के लिए किया जा सकता है। इस तरह का उपयोग निरंतर स्टील कास्टिंग में प्रमुख है और पिघली हुई धातुओं को रखने के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले क्रूसिबल और सांचों को बनाने तक फैला हुआ है।

निरंतर स्टील कास्टिंग में, नोजल, स्टॉपर रॉड और लैडल बनाने के लिए ग्रेफाइट को ज़िरकोनिया और एल्युमिना और ज़िरकोनिया के साथ मिलाया जाता है। ये पिघले हुए स्टील के प्रवाह को नियंत्रित करने में मदद करते हैं और ऑक्सीकरण से भी बचाते हैं।

ग्रेफाइट ब्लॉक का उपयोग ब्लास्ट फर्नेस में लोहे के उत्पादन में भी किया जाता है। उनका उच्च तापीय प्रतिरोध और कम तापीय विस्तार कुछ ऐसे कारक हैं जो इस तरह से उनके उपयोग को बढ़ावा देते हैं। इनका उपयोग धातुकर्म भट्टियों में इलेक्ट्रोड के रूप में भी किया जाता है।

रासायनिक उद्योग में ग्रेफाइट

रासायनिक उद्योग में ग्रेफाइट का उपयोग इसकी रासायनिक निष्क्रियता और तापीय स्थिरता के कारण होता है, जो इसे ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाओं से भी अप्रभावित रखता है। प्रयोगशालाओं में इस्तेमाल होने वाले प्रतिक्रिया वाहिकाओं जैसे रासायनिक प्रक्रियाओं के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले संक्षारण प्रतिरोधी उपकरण बनाने में ग्रेफाइट का उपयोग किया जाता है।

रासायनिक संयंत्रों में पाइपिंग सिस्टम एसिड और बुनियादी समाधान जैसे संक्षारक तरल पदार्थों के परिवहन के लिए ग्रेफाइट पाइप और फिटिंग का उपयोग करते हैं। इसके अतिरिक्त, रिसाव की रोकथाम के लिए रासायनिक सील और गास्केट बनाने में ग्रेफाइट सामग्री का उपयोग किया जाता है।

नमकीन पानी के इलेक्ट्रोलिसिस से हाइड्रोजन, क्लोरीन और सोडियम हाइड्रॉक्साइड बनते हैं, जबकि इलेक्ट्रोड के लिए ग्रेफाइट का उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रोप्लेटिंग जैसी अन्य इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाओं में भी ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, उत्प्रेरक का उपयोग करने वाली प्रतिक्रियाओं में, ग्रेफाइट सहायक सामग्री के रूप में कार्य कर सकता है।

विद्युत उद्योग में ग्रेफाइट

विद्युत उद्योग में ग्रेफाइट के कई उपयोग हैं, इस सामग्री का उपयोग आमतौर पर बैटरी इलेक्ट्रोड जैसे लिथियम-आयन बैटरी में किया जाता है। यहाँ, ग्रेफाइट का उपयोग एनोड सामग्री के रूप में किया जाता है। ग्रेफाइट कम प्रतिरोधकता के साथ विद्युत चालकता में भी सक्षम है।

इसके विद्युत गुण इसे इलेक्ट्रिक मोटर और जनरेटर में ब्रश और संपर्क बनाने के लिए उपयोग करने की अनुमति देते हैं। ग्रेफाइट ब्रश रोटर और स्थिर भाग के बीच एक प्रवाहकीय पथ प्रदान करते हैं जो सुनिश्चित करता है कि विद्युत प्रवाह में कोई व्यवधान न हो।

इसके अलावा, घर्षण को कम करने के लिए ग्रेफाइट की चिकनाई आवश्यक है, जिससे घिसाव को रोका जा सके और विद्युत चालकता सुचारू हो सके। यह स्लाइडिंग विद्युत संपर्कों में देखा जा सकता है जैसा कि चर प्रतिरोधकों, स्विचों और पोटेंशियोमीटर में देखा जाता है।

ग्रेफाइट की उच्च तापीय सहनशीलता इसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए गर्मी प्रबंधन में उपयोग करने की अनुमति देती है, जिससे ओवरहीटिंग को रोका जा सकता है। थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री या हीट सिंक के रूप में ग्रेफाइट सामग्री का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक घटकों को उत्पन्न गर्मी को नष्ट करने में सहायता करता है।

उच्च तापमान वाले वातावरण में उपयोग किए जाने वाले थर्मोकपल में सुरक्षात्मक सामग्री के रूप में ग्रेफाइट सामग्री का उपयोग किया जाता है। सामग्री की रासायनिक निष्क्रियता थर्मोकपल को संक्षारक गैसों से बचाती है, जिससे सटीक तापमान माप सुनिश्चित होता है।

ग्रेफाइट के स्नेहन गुणों के कारण, इसका उपयोग शुष्क स्नेहक के रूप में किया जाता है जहाँ तरल स्नेहक अनुपयुक्त होते हैं। उदाहरण के लिए, ग्रेफाइट बियरिंग बिना ग्रीसिंग की आवश्यकता के काम कर सकते हैं। ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस क्षेत्रों में उपयोग की जाने वाली मिश्रित सामग्रियों में थर्मल गुणों को बढ़ाने के लिए भी ग्रेफाइट का उपयोग किया जा सकता है।

यह सामग्री उच्च प्रदर्शन वाले इंजनों के पिस्टन रिंग और सिलेंडर लाइनर में इस्तेमाल की जाती है, क्योंकि इसमें घर्षण कम होता है और यह पहनने के लिए बहुत प्रतिरोधी होती है। ग्रेफाइट की मशीनिंग क्षमता और तापमान स्थिरता धातु की ढलाई के लिए डाई और मोल्ड उत्पादन की अनुमति देती है।

ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस उद्योग में ग्रेफाइट का उपयोग

वाहनों और विमानों के ब्रेक पैड और लाइनिंग में ग्रेफाइट सामग्री का उपयोग किया जाता है, क्योंकि इसमें बेहतर घर्षण गुण होते हैं जो ब्रेकिंग प्रदर्शन को बढ़ाते हैं। इसकी उच्च तापमान स्थिरता और रासायनिक प्रतिरोध ऑटोमोटिव इंजन गास्केट और सील में उपयोग के लिए उपयुक्त है।

विमान के पुर्जों और धड़ जैसे घटकों के लिए मिश्रित सामग्री विकसित करते समय, ग्रेफाइट का उपयोग इसके तापीय गुणों और रासायनिक प्रतिरोध के लिए किया जाता है। यह सामग्री विमान रॉकेट नोजल और थ्रस्ट चैंबर में भी अपनी तापीय स्थिरता और संक्षारण प्रतिरोध के लिए उपयोग की जाती है।