Cos'è la grafite?
La grafite è un allotropo del carbonio in forma cristallina con una struttura reticolare esagonale. Presente in natura, costituisce strati di grafene e in condizioni tipiche costituisce la forma di carbonio più stabile. Il diamante si forma sottoponendo la grafite a temperatura e pressione elevate.
Tipi di grafite sintetica
Le condizioni di processo per la produzione di grafite sintetica possono essere regolate. È quindi possibile ottenere diverse forme o tipi di grafite sintetica. Alcuni materiali di grafite sintetica comunemente prodotti includono:
La grafite pirolitica viene prodotta tramite deposizione chimica da vapore. Questo processo comporta la deposizione di atomi di carbonio su un substrato a temperature elevate in un ambiente di gas idrocarburici. Ciò determina la formazione di una grafite altamente orientata e cristallina. La grafite prodotta tramite il processo di deposizione chimica da vapore presenta pochissime impurità. La grafite pirolitica è anisotropica e presenta un'eccezionale conduttività termica lateralmente. Presenta inoltre un basso coefficiente di espansione termica utile per offrire stabilità dimensionale in un ampio intervallo di temperature. Inizio modulo
Questa grafite sintetica è formata dalla compattazione a freddo delle materie prime in blocchi sagomati in una pressa isostatica. Qui, c'è un'applicazione uniforme di pressione da tutte le direzioni, con conseguente densità uniforme e proprietà del materiale. Tra la grafite sintetica, la grafite isostatica ha le dimensioni dei grani più piccole. La polvere di grafite fine in uno stampo flessibile è sottoposta ad alta pressione in una pressa isostatica da un liquido specializzato. La grafite isostatica è isotropica con proprietà costanti in tutto ed è in grado di produrre grafite ad alta purezza. Il materiale di grafite ha una microstruttura omogenea, con controllo dimensionale preciso e prestazioni determinabili. La grafite isostatica trova impiego nella sinterizzazione industriale, nelle applicazioni ad alta temperatura e nella produzione di componenti semiconduttori.
La grafite stampata viene prodotta tramite un processo di stampaggio in cui le particelle di grafite vengono compresse in uno stampo. Dopo aver posizionato la polvere di grafite in uno stampo della forma desiderata, viene applicata una pressione che compatta la polvere. Segue un processo di riscaldamento dello stampo che sinterizza le particelle di grafite in un solido. La grafite stampata può avere proprietà direzionali ma consente la produzione di componenti in grafite in diverse forme. Rispetto alla pressatura isostatica, la grafite stampata è più conveniente data la possibilità di creare forme e dimensioni personalizzate. La grafite stampata trova impiego nell'industria della fonderia per la produzione di componenti come i crogioli. Viene anche impiegata in applicazioni di colata continua per la produzione di parti metalliche.
La grafite vibrata viene prodotta tramite stampaggio a vibrazione, che prevede l'uso di un meccanismo vibrante per compattare e modellare le particelle di grafite. Le particelle di grafite in polvere vengono sottoposte a vibrazioni in uno stampo, che ne determina la compattazione. Questa forma di grafite può presentare proprietà direzionali a seconda dell'orientamento dello stampaggio. Inoltre, può presentare densità variabili. La grafite stampata a vibrazione è utile nelle applicazioni di colata continua ed è apprezzata per la sua versatilità nella modellatura.
Questo tipo di grafite sintetica viene prodotto tramite un processo di estrusione. Qui, la miscela di polvere di grafite e legante viene forzata attraverso una filiera creando un profilo continuo. Successivamente, il materiale viene trattato termicamente per eliminare il legante e sinterizzare le particelle di grafite in un grumo solido e coeso. La filiera è solitamente sagomata nella sezione trasversale desiderata e il prodotto viene tagliato nelle lunghezze preferite. La grafite estrusa ha una densità moderata e può presentare proprietà anisotropiche. Inoltre, con il processo di estrusione, è possibile produrre profili uniformi e continui.
Formula del materiale di grafite e simbolo della grafite
Come allotropo del carbonio, la grafite è indicata con C con il simbolo Gr dell'International Mineralogical Association (IMA). Si presenta in forma pura ed esiste in strati distinti con legami deboli denominati grafene. Esistono due forme di questo elemento minerale in base alla struttura reticolare, alfa e beta.
Materiale in grafite naturale vs grafite sintetica
La grafite naturale si forma naturalmente attraverso una combinazione di processi geologici sostenuti che durano milioni di anni. Si ottiene tramite estrazione mineraria in tre forme principali: grafite a scaglie cristallina, grafite amorfa e grafite venata/grumosa.
La grafite naturale ha una struttura irregolare e stratificata e può contenere impurità come silicio, zolfo o altri elementi.
La grafite sintetica viene prodotta sottoponendo un composto di carbonio come il carbone e un legante a processi ad alta temperatura. Esistono diverse forme di grafite sintetica come la grafite pirolitica e la grafite isotropica. Con questo tipo di grafite, puoi ottenere una struttura controllata con elevata purezza.
La grafite sintetica può essere isotropa o anisotropa a seconda del processo di fabbricazione. Poiché è realizzata in determinate condizioni, le proprietà della grafite sintetica possono essere progettate e determinate durante il processo di fabbricazione.
La grafite, in quanto elemento del carbonio, possiede diverse proprietà uniche che ne influenzano l'impiego in diverse applicazioni.
Proprietà meccaniche
Anche se la sua durezza non è paragonabile a quella del diamante, la grafite mostra una resistenza meccanica relativamente moderata. La sua resistenza meccanica è determinata dalla sua struttura reticolare e dalle deboli forze interstrato.
Date queste deboli forze, la grafite mostra una certa flessibilità che consente una deformazione limitata sotto stress in grado di sopportare alcuni carichi meccanici. Le proprietà meccaniche della grafite variano a seconda della direzione di applicazione della forza, facilmente tagliabile lateralmente ma resistente allo stress perpendicolare.
Proprietà termiche
La grafite ha un'elevata conduttività termica grazie alla sua struttura che facilita un efficace trasferimento di calore lungo l'asse planare. Questa forma di carbonio ha anche un punto di fusione elevato che supera i 3.000 °C, consentendo applicazioni ad alto calore come nelle fornaci.
La grafite cambia stato da solido a gas deformandosi in un'atmosfera di gas inerte a oltre 2450 °C. La sublimazione può avvenire anche a 3750 °C in assenza di ossigeno. La bassa capacità termica specifica della grafite le consente di rispondere rapidamente alle variazioni di temperatura.
La grafite subisce anche un'espansione e una contrazione minime con queste variazioni di temperatura derivanti dal loro basso coefficiente di espansione. Ciò è particolarmente utile quando la stabilità dimensionale è fondamentale. La stabilità termica mostrata dalla grafite in ambienti riducenti o ad alta temperatura è anch'essa formidabile.
La grafite mostra una conduttività termica anisotropica con un trasferimento efficace lungo il reticolo anziché perpendicolarmente ad esso. Quando la grafite è sottoposta a variazioni di temperatura, risponde senza fratturarsi grazie alla sua resistenza allo shock termico.
Proprietà elettriche
La grafite presenta elettroni delocalizzati all'interno della sua struttura reticolare che consentono la conduzione elettrica. Gli atomi di carbonio nella grafite costituiscono quattro elettroni di valenza, di cui solo tre sono in grado di legarsi. Il quarto elettrone libero rende quindi possibile la conduttività.
Proprietà chimiche
La grafite è altamente resistente alle sostanze chimiche e non reagisce alla maggior parte delle sostanze chimiche. Questa inerzia chimica la rende ideale quando è richiesta stabilità chimica o in ambienti corrosivi.
La naturale lubrificazione della grafite consente l'uso nella riduzione dell'attrito, dove i lubrificanti liquidi sono impraticabili, come lubrificante solido. Questo grazie agli strati di carbonio debolmente legati che scivolano facilmente l'uno sull'altro.
Nel processo di produzione della grafite sintetica sono coinvolti processi a temperatura elevata. Inoltre, viene esercitato un controllo preciso dei parametri per ottenere i livelli di purezza desiderati e le proprietà dei materiali.
La produzione di grafite sintetica utilizza coke o carbone come materia prima primaria insieme al legante di pece. Esistono due processi di produzione comunemente utilizzati: il processo Acheson e il trattamento ad alta temperatura dei composti di carbonio.
Processo Acheson
In questo processo, il coke e la grafite finemente macinati vengono sottoposti a riscaldamento in un forno a resistenza elettrica a oltre 2450 °C. Ne risulta una reazione chimica che trasforma parte del carbonio in grafite insieme al carburo di silicio. La grafite viene raffreddata e quindi frantumata per ottenere la dimensione desiderata.
Trattamento ad alta temperatura
I composti di carbonio come il coke o il carbone sono sottoposti ad alte temperature che vanno dai 2400 ai 3000 °C. Il processo, denominato pirolisi, trasforma il contenuto di carbonio in grafite. Segue una procedura di raffreddamento e frantumazione per ottenere la consistenza desiderata [dell'articolo.
Grafitizzazione
In questo processo, il materiale di carbonio viene sottoposto a temperature elevate superiori a 2500 °C in condizioni controllate. Il risultato è la riorganizzazione degli atomi di carbonio in una struttura reticolare esagonale.
Trattamenti
Il trattamento della grafite formata può seguire per determinare i livelli di purezza o modificare le proprietà superficiali della particella. La grafite può anche essere intrecciata con altri composti per alterare le proprietà complessive del materiale.
Dopo la produzione, la grafite sintetica può essere formata mediante vari metodi, quali stampaggio, estrusione e lavorazione meccanica.
Lavorazione della grafite
Il processo di lavorazione della grafite comporta la sagomatura e la finitura del materiale in grafite per ottenere la finitura e l'aspetto desiderati. Vengono utilizzati utensili diversi, come utensili diamantati o in carburo. Quando si lavora la grafite, considerare la sua fragilità e anisotropia.
Fresatura della grafite
Quando si fresa la grafite, si rimuove il materiale dal pezzo in lavorazione utilizzando frese rotanti come le fresatrici per ottenere determinate forme. Gli utensili in carburo in tali macchine vengono utilizzati per la loro resistenza all'usura e durezza.
Per ottenere un'efficiente rimozione del materiale, si impiega una lavorazione ad alta velocità. Poiché la grafite produce particelle fini, è essenziale praticare il controllo della polvere per garantire un processo regolare e ridurre i rischi per la salute.
Tornitura della grafite
Quando si gira un pezzo di grafite, questo viene ruotato contro un utensile da taglio solitamente per creare profili cilindrici. La tornitura è un processo di produzione sottrattivo poiché comporta la rimozione di materiale. Le macchine di tornitura CNC trovano un uso comune nella tornitura della grafite offrendo elevata precisione e automazione.
Gli utensili da taglio in una macchina di tornitura utilizzata per la grafite possiedono elevata durezza e resistenza all'usura. Tra questi rientrano utensili rivestiti di diamante e carburo. Velocità di taglio, velocità di avanzamento e profondità di taglio sono alcuni degli aspetti da considerare quando si tornisce la grafite.
Poiché la grafite è fragile, è necessario ridurre al minimo le vibrazioni e fornire un adeguato supporto al pezzo in lavorazione per evitare la rottura dell'utensile e le scheggiature. La tornitura della grafite può essere utilizzata per realizzare cuscinetti e guarnizioni in grafite.
Grafite per macinazione
La molatura della grafite utilizza utensili abrasivi per rimuovere il materiale e ottenere la finitura superficiale e/o le dimensioni desiderate. Viene comunemente applicata come operazione di finitura utilizzando mole con particelle abrasive.
Gli abrasivi comunemente usati sono il nitruro di boro cubico e il diamante. Quando si rettifica la grafite, la precisione è essenziale per ottenere finiture superficiali fini e tolleranze strette. L'uso di refrigeranti non è necessario a causa del rischio di contaminazione.
Foratura della grafite
La creazione di fori nei pezzi di grafite è resa possibile dalla foratura con punte da trapano. Queste punte possono essere sotto controllo numerico computerizzato o manuale, la prima offre una maggiore precisione. Quando si fora la grafite, è necessario fissare il pezzo per evitare movimenti durante l'operazione di foratura.
Esistono diversi metodi di foratura, come la foratura a torsione, la foratura a peck, la foratura centrale e la controforatura e l'affondamento. Quando si fora, si considerano aspetti come la profondità e la dimensione del foro. Questi saranno influenzati dalla punta del trapano e dalla velocità.
Grazie alle notevoli proprietà della grafite, tra cui lubrificazione, conduttività elettrica e tolleranza termica, trova diversi utilizzi in vari settori. Alcuni di questi utilizzi sono riassunti di seguito:
Grafite nell'industria nucleare
Un'importante applicazione della grafite nell'industria nucleare è il suo utilizzo in alcuni reattori come materiale moderatore. In questo ruolo, rallenta il movimento dei neutroni consentendo il verificarsi di reazioni nucleari sostenute.
Le custodie per i canali del combustibile nei reattori avanzati raffreddati a gas sono realizzate in grafite. Questo materiale tollera le alte temperature e le condizioni di irradiazione, offrendo al contempo stabilità e supporto meccanico.
Inoltre, la grafite offre schermatura dalle radiazioni in quanto può attenuare gli effetti delle radiazioni. Questa proprietà ne consente l'uso nella fabbricazione di dispositivi di protezione individuale e anche per lo stoccaggio a lungo termine di scorie nucleari.
Grafite in metallurgia
La stabilità ad alta temperatura e l'inerzia chimica della grafite rendono il suo utilizzo come materiale refrattario ideale in metallurgia. Un materiale refrattario è essenzialmente resistente al calore o alla decomposizione chimica. Tale materiale, invece, mantiene le sue proprietà fisiche e la sua struttura.
La grafite può essere utilizzata per realizzare mattoni refrattari da sola o se mescolata con magnesio. Tale utilizzo è importante nella fusione continua dell'acciaio e si estende alla realizzazione di crogioli e stampi utilizzati per contenere metalli fusi.
Nella colata continua di acciaio, la grafite viene combinata con zirconia e allumina e zirconia per realizzare ugelli, barre di arresto e siviere. Questi aiutano a regolare il flusso di acciaio fuso e allo stesso tempo proteggono dall'ossidazione.
I blocchi di grafite sono utilizzati anche nella produzione di ferro per rivestire l'altoforno. La loro elevata resistenza termica e la bassa dilatazione termica sono alcuni fattori che ne rafforzano l'uso in questo modo. Trovano anche impiego nei forni metallurgici come elettrodi.
Grafite nell'industria chimica
L'uso della grafite nell'industria chimica è dovuto alla sua inerzia chimica e alla sua stabilità termica che la rende inalterata anche dalle reazioni esotermiche. La grafite è utilizzata per realizzare apparecchiature resistenti alla corrosione utilizzate per processi chimici come i recipienti di reazione utilizzati nei laboratori.
I sistemi di tubazioni negli impianti chimici utilizzano tubi e raccordi in grafite per trasportare liquidi corrosivi come acidi e soluzioni basiche. Inoltre, il materiale in grafite trova impiego nella realizzazione di guarnizioni e tenute chimiche per la prevenzione delle perdite.
L'elettrolisi della salamoia produce idrogeno, cloro e idrossido di sodio con grafite utilizzata per gli elettrodi. Anche altri processi elettrochimici come la galvanica utilizzano elettrodi di grafite. Inoltre, nelle reazioni che utilizzano catalizzatori, la grafite può fungere da materiale di supporto.
Grafite nell'industria elettrica
Ci sono molti usi della grafite nell'industria elettrica con il materiale comunemente usato negli elettrodi delle batterie, ad esempio le batterie agli ioni di litio. Qui, la grafite è utilizzata come materiale anodico. La grafite è anche in grado di condurre l'elettricità con bassa resistività.
Le sue proprietà elettriche ne consentono l'uso nei motori elettrici e nei generatori per realizzare spazzole e contatti. Le spazzole in grafite offrono un percorso conduttivo tra il rotore e la parte fissa, il che garantisce che non vi siano interruzioni nel flusso elettrico.
Inoltre, la lubrificazione della grafite è essenziale per ridurre l'attrito, prevenendo così l'usura e la conduttività elettrica regolare. Ciò è esemplificato nei contatti elettrici scorrevoli, come osservato in resistori variabili, interruttori e potenziometri.
L'elevata tolleranza termica della grafite consente il suo utilizzo nella gestione del calore per dispositivi elettronici impedendone il surriscaldamento. L'utilizzo di materiale in grafite come materiale di interfaccia termica o come dissipatore di calore aiuta i componenti elettronici a dissipare il calore generato.
Le termocoppie utilizzate in ambienti ad alta temperatura utilizzano materiale in grafite come materiale protettivo. L'inerzia chimica del materiale protegge la termocoppia dai gas corrosivi, garantendo misurazioni accurate della temperatura.
Grazie alle proprietà lubrificanti della grafite, viene utilizzata come lubrificante secco laddove i lubrificanti liquidi non sono adatti. Ad esempio, i cuscinetti in grafite possono funzionare senza richiedere lubrificazione. La grafite può anche essere utilizzata per aumentare le proprietà termiche nei materiali compositi utilizzati nei settori automobilistico e aerospaziale.
Questo materiale è utilizzato per fasce elastiche e camicie dei cilindri di motori ad alte prestazioni grazie alla riduzione dell'attrito e all'eccellente resistenza all'usura. La lavorabilità della grafite e la stabilità della temperatura consentono la produzione di stampi e matrici per la fusione dei metalli.
Utilizzo della grafite nell'industria automobilistica e aerospaziale
Le pastiglie e le guarnizioni dei freni per veicoli e aeromobili utilizzano materiale in grafite grazie alle proprietà di attrito superiori che migliorano le prestazioni di frenata. La sua stabilità alle alte temperature e la resistenza chimica ne consentono l'applicazione nelle guarnizioni e nei sigilli dei motori automobilistici.
Quando si sviluppano materiali compositi per parti e componenti di aeromobili come la fusoliera, la grafite viene utilizzata per le sue qualità termiche e la resistenza chimica. Questo materiale è anche utilizzato negli ugelli dei razzi degli aeromobili e nelle camere di spinta per la sua stabilità termica e resistenza alla corrosione.
