グラファイトは、六角形に似た平らなシート状に配列された炭素原子からなる材料です。通常の状態では、純粋な炭素であり、非常に安定していることがよく知られています。グラファイトは、電気伝導性と熱伝導性が高く、非常に柔らかく、比重が低いです。
天然黒鉛の種類
フレークグラファイト
の 炭素材料 高圧高温にさらされることで、天然の薄片状黒鉛が作られます。これらの薄片は小さな雪片であることが多く、互いに滑り合う際に非常に簡単に積み重なるため、薄片状黒鉛は潤滑剤に最適です。また、導電性が高いため、バッテリーや燃料電池にも使用できます。
自動車会社は、この種の天然黒鉛の最大の消費者です。過去数年間、電気ハイブリッド車や燃料電池メーカーからの薄片状黒鉛の需要が大幅に増加しました。
結晶脈グラファイト
まるで変成岩の中に純粋なグラファイト鉱脈があるかのようです。重要なのは、これが最高純度 (最大 99% の炭素) と電気伝導性を備えた結晶鉱脈グラファイトであるということです。これは、原子炉のコンポーネントや超高性能電極などのハイエンド用途のために保存された炭素スーパーマンのようなものです。
結晶脈グラファイトは、中国とカナダで発見された珍しく貴重な鉱物です。また、高い熱伝導性と電気伝導性を必要とする操作において優れた性能を発揮するため、薄片グラファイトと同様に使用できます。
アモルファスグラファイト
60-85%の 非晶質グラファイト 固定炭素を含みます。最も一般的なグラファイトの形態で、通常は石炭や頁岩などの堆積岩で発見されます。
アモルファスグラファイトはさまざまな目的に役立ちますが、あらゆるシナリオに適しているわけではありません。
この鉱物は耐熱性に優れているため、製造業で使用でき、るつぼ、鋳型、取鍋、トラフ、ノズルとしてよく利用されます。
一方、冶金炉の電極や鉄の高炉のライニングには非晶質黒鉛が使われることが多く、この汎用性の高い形態は主に中国、メキシコ、北朝鮮で生産されています。
天然黒鉛と合成黒鉛
天然黒鉛
天然グラファイトは、古代の有機物をこの柔らかい層状の鉱物に変える変成作用によって生成されます。
それらは、大きな薄片状のグラファイトから鉱脈状の純粋な結晶まで、さまざまな形で現れます。トップのLCA専門家によるベンチマーク調査によると、天然グラファイト製のアノードは最大14 CO2 同等。
片状黒鉛は潤滑剤、耐火物ライニング、鉛筆に適しており、結晶黒鉛は原子炉や高性能電極にその威力を発揮します。非晶質黒鉛は石炭や頁岩に存在し、鋳造に耐熱性をもたらします。しかし、天然黒鉛には独特の特徴があります。
鉱業は環境に影響を与え、地政学的不安定性により供給が中断される可能性があります。さらに、鉱業の本質的な欠陥は通常は重要ではありませんが、特定の用途では問題となることがあります。
合成グラファイト
合成グラファイトは石油コークスまたは石炭から作られ、高温高圧下で数回の処理を受けます。エネルギーを大量に消費するプロセスにより、コークスは再び 2500 ～ 300°C に加熱されます。熱は石炭または石油の燃焼メカニズムから発生します。これらのプロセスにより、CO₂ 排出量は膨大になります。
この純度は、電気伝導性と熱安定性の向上を意味し、リチウムイオン電池や太陽電池などに最適です。ただし、合成グラファイトの製造にはコストがかかります。エネルギーを大量に消費する製造プロセスでは大量の炭素排出が発生し、環境への影響が懸念されています。さらに、コストが高く、化石燃料に依存していることから、持続可能性の問題も生じています。
天然黒鉛の発生方法
グラファイトは、変成岩中で堆積炭素化合物の還元により生成されます。また、隕石や火成岩にも見られます。グラファイトに関連する鉱物には、石英、方解石、雲母、トルマリンなどがあります。
グラファイトは、隕石中にトロイライトやケイ酸塩鉱物とともに発見されています。クリフトナイトは、隕石鉄中に発見された小さなグラファイト結晶を指します。いくつかの小さな粒子は同位体であるように見え、その組成から太陽系以前に発生したことがわかります。これらは、太陽系より前に存在し、分子雲でも発見されている約 12 種類の既知の鉱物の 1 つに属しています。
合成グラファイトの製造プロセス
変換プロセスでは、交響曲の中に一連のステップがあり、原材料である合成グラファイト（SG-BAM）が リチウム電池 アノード材料。合成グラファイトが独自の特性とエネルギー貯蔵装置との互換性を獲得するのに役立つため、すべてのステップが重要です。それでは、製造の複雑な流れを見てみましょう。
グリーン石油コークス生産。
接触分解やガソリン精製に使用される重油からグリーン石油コークスを製造することが最初のステップとなります。最初の炭素前駆体はグラファイトの合成に使用されます。
焼成
グリーン石油コークスの焼成中、約 1300°C ～ 1400°C の高温プロセスが行われます。この熱膨張によりコークスから揮発性物質と汚染物質が除去され、ニードルコークスが生成されます。この高レベルの炭素含有量により、次の段階に最適なプロトタイプが提供されます。
グラファイト化
ニードルコークスはその後、電気炉で2500℃以上の温度にさらされ、 グラファイト化炭素原子は過熱中に再配置され、コークスはグラファイトに変化します。グラファイト化により、より有益な特性が得られ、グラファイト物質の導電性が向上します。
後処理
グラファイト化後には、他の後処理技術が使用される場合があります。リチウムイオン電池は、成形、分類、コーティングも可能で、優れたパッキング効率と性能を実現します。他の用途では、異なる特定の後処理要件が必要になる場合があります。.
グラファイト構造
炭素配列
ハニカムがワックスではなく炭素原子だけで構成されていると想像してください。グラファイトの基本的な特性はその原子構造にあります。
各炭素原子は層内の他の 3 つの炭素原子と強く結合し、非常に強力なネットワークを形成します。各炭素は 6 辺の円の中央に位置し、永遠に続く多数の六角形のシートを形成します。
この構成は sp² 混成として知られており、各炭素原子が近接する原子と 3 つの非常に強い共有結合を形成することを可能にします。余分な電子が 1 つシート全体を動き回ることができます。
グラファイトの多くの特性は、これらの自由電子に大きく依存しています。
ボンディング
ダイヤモンドでは、各炭素原子が 4 つの強力な結合で互いに結合し、硬い箱型を形成しますが、グラファイトの結合は一方向を向いています。
これらの層をまとめる力が弱いため、鉄板の上のパンケーキのように滑り落ちてしまいます。
このユニークな関係は、グラファイトが電気を伝導できる理由も明らかにしています。自由電子はシート内を容易に流れることができるため、バッテリーや電極に最適です。
他の同素体との比較。
ダイヤモンドの硬さとは対照的に、グラファイトは簡単に曲がる層を持っています。これは、炭素がさまざまな形や形態（同素体）を取り得ることを示しています。
ダイヤモンドは、競合する各炭素原子が他の 4 つの炭素原子と結合して四面体状に配列されていますが、グラファイトは六角形の構造のため、根本的に異なる特性を持っています。
グラファイトとフラーレンを見ると、フラーレンが丸い形をしているという事実が、グラフィックス上でその層構造を構成しています。
グラファイトの特性
物理的特性
色と外観
グラファイトは、明るい金属のような外観から暗い灰色まで、さまざまな色で現れます。その特殊な外観により、さまざまな用途でより魅力的で見やすいものになります。
この興味深い色は、写真や絵をより深く、よりスリリングに見せるので、鉛筆に最適です。
密度と比重
グラファイトは強度があるにもかかわらず、比較的軽量です。多くの層と空洞があるため、水に浮きます。また、触ると羽毛のような重さです。重くないので、飛行機の部品やスポーツ用品など、重量が重要な用途に最適です。
融点と沸点
グラファイトは熱伝導に最適ですが、融点はおよそ 3500°C です。この高い融点は、鋳造所で製造されるものや原子炉の部品など、高温の用途に最適です。鉛筆を火山に入れれば燃えるほど熱いのです。
伝導率（電気および熱）
グラファイトの電気伝導性と熱伝導性は密接に関係しています。グラファイトの層内を移動する電子は、熱と電気を容易に伝えます。これにより、バッテリーの充電、機器の加熱、さらにはタッチスクリーンの操作も簡単に行えます。携帯電話のスクロールを思い浮かべてください。そのスムーズな動きはグラファイトの伝導性によるものです。
潤滑特性
グラファイトの層により、層間を滑ることができ、優れた潤滑剤となります。また、滑りが少なく、動きがスムーズであることが重要な用途にも使用されます。ロック、ホイール、鉛筆などにも最適な素材です。
化学的性質
酸素との反応性
700 度を超えると、この素材は層状に剥がれ、二酸化炭素に変わります。これは、火を燃やしたり、物を溶かす大きな炉に動力を与えたりするのに役立ちます。この特性により、素材が強化され、さまざまな場所、特に空気中で長持ちします。
酸素との反応性
化学の世界では普段は穏やかな物質であるグラファイトも、高温になると酸素と反応して問題を起こすことがあります。この物質は層状に剥がれ落ち、700 度を超えると二酸化炭素に変わります。これが燃料となり、物質を溶かす大型炉に動力を与えます。この特性により物質が強化され、主に空気中のさまざまな場所で持続します。
酸と塩基に対する耐性
炭素と炭素の結合が強固で、層状構造になっているため、ほとんどの酸や塩基では分解しにくいです。そのため、化学反応器のライニングや、加熱した金属を入れる容器などの用途に最適です。この要素により、有害な場所での使用に適しており、さまざまな用途に役立ちます。
酸化と腐食
グラファイトは、非常に高温になると大きく変化しますが、通常、通常の条件下では、この変化はゆっくりと着実に起こります。グラファイトは、時間の経過とともに徐々に腐食または浸食されます。時間の経過とともに、周囲の酸素によって表面に二酸化炭素の薄い層が形成されます。これはゆっくりとした摩耗プロセスですが、グラファイトを強くて信頼性の高い材料にする主な特徴を変えることはできません。
機械的性質
強度と硬度
グラファイトは非常に強くて硬いため、使用すると長持ちします。グラファイトの強固な構造には複数の層があります。各炭素原子はシート内で他の 2 つの炭素原子と結合しており、一緒に圧力がかかっても強度を保ちます。
柔軟性と弾力性
ダイヤモンドは確かに硬く、非常に壊れやすいですが、グラファイトのユニークな構造により、驚くほどよく曲がります。グラファイトは簡単に伸びたり曲がったりできるため、どのような状況でも壊れにくくなっています。また、シート間の力が弱いため、シートを曲げたりねじったりしても壊れません。ガスケット、グリース、さらには衝撃緩衝材にも適しています。
異方性の性質
グラファイトは、普通の素材ではありません。さまざまな方向に押したり引いたりすると、特性が変わります。線に沿って固くなりますが、線の間は弱く、滑りやすくなります。この「異方性」特性は、コンパスや電気消しゴムなど、一方向の詳細な方向を示す必要がある用途に最適です。
熱特性
グラファイトは比熱容量が高く、温度を大きく変化させることなく大量の熱を吸収できます。グラファイトは大きな劣化を起こさずに高温に耐えることができるため、熱用途に適しています。グラファイトは、ほとんどの材料とは異なり、冷却時にわずかに膨張し、加熱時に収縮します。
電気的特性
グラファイトは電気伝導体であるため、アークランプの電極などの用途に適しています。グラファイトが電気を運ぶことができるのは、炭素層内の電子の非局在化が大きいためです (芳香族性と呼ばれます)。これらは電気を伝導できる自由価電子です。
その他のプロパティ
- グラファイトは高速中性子を捕らえることができます。
- グラファイトの融点は非常に高く、ダイヤモンドの定義に近づいています。
- 通常の条件下では、グラファイトは水と反応しません。ただし、適切な温度では反応して一酸化炭素と水素ガスの混合物を生成します。
グラファイトの用途
- 潤滑剤とグリース
グラファイトは、空気中の水分と反応して表面に堆積する六角形の層により、摩擦を排除することができます。グラファイトの自己潤滑能力により摩擦が大幅に減少し、摩耗を防ぐため、機械システム、エンジン、産業機械に最適です。
- バッテリー
グラファイトは安定性が高く、電気を伝導するため、バッテリーに最適です。また、エネルギーの貯蔵と放出能力も向上するため、さまざまなバッテリー技術にとって重要な部品となっています。
- 耐火物
耐火物は高温下で作用するため、沸点と融点が非常に高いグラファイトが最適です。グラファイトは製造業で使用され、ガラス、鋼鉄、鉄の製造に役立ちます。
- 電気部品
グラファイトは優れた電気伝導性を持ち、さまざまな用途に欠かせないものとなっています。 電子部品これらには電極とブラシが含まれており、これらを使用することで、多くの電子機器が長期間にわたって信頼性の高い結果と効率的な生産性を実現します。
- 原子力産業
グラファイトの特性の 1 つは、高速中性子を捕らえる能力であり、核反応を安定させるのに適しています。グラファイトは高温に耐えることができ、中性子減速材として機能します。これは原子炉にとって非常に重要です。
- グラフェンシート
グラファイトは、鋼板に比べて軽くて強度の高いグラフェンの製造に使用されます。このシートは、スポーツ用具の製造に使用できます。
グラファイトのその他の用途については、 こちらをご確認ください.
結論
上記の議論に基づいて、グラファイトは地球上で最も頻繁に使用されるアイテムの 1 つであり、時間が経つにつれてさらに私たちを助けるために必要になることがわかります。
よくある質問
- グラファイトのコストを知りたい場合はどうすればいいですか?
グラファイトの価格は、市場の需要と供給だけでなく、グラファイトの種類によっても、さまざまな要因の影響を受けます。小片グラファイトの価格は$1000-$2000/tで、高級天然グラファイトの価格は$3000-$6000/tです。価格状況について詳しく知りたい場合は、Eastcarbに直接お問い合わせください。詳細な見積表をお送りします。
- グラファイトの性質を保つために保管するにはどうすればよいでしょうか?
グラファイトは自然界では安定していますが、グラファイトの保管には常に注意を払う必要があります。まず、温度と湿度を管理し、乾燥した場所に置き、高温や急激な温度変化を避けてください。次に、湿気がたまらないように保管室の換気も必要です。最後に、劣化を防ぐために、異なる種類のグラファイトを隔離して保管する必要があります。基本的に、上記の提案に従えば、グラファイトの品質を良好に維持できます。
- グラファイトの最近の新興市場は何ですか?
新しい市場の出現により、グラファイトサプライヤーとその上流および下流産業にさらなる機会が生まれており、最近の新興市場には、モザンビーク、タンザニア、オーストラリア、パキスタン、エジプト、および多くの西アフリカ諸国が含まれています。
- グラファイトを加工する際に注意すべきことは何ですか？
グラファイトの粉塵は場合によっては健康に影響を与える可能性があるため、工業プロセス中に粉塵を吸い込まないように注意する必要があります。
- グラファイトの性能を高めるには？
通常、表面処理によって耐性、耐腐食性、導電性を高めることができます。具体的な方法としては、スプレーコーティング材、化学処理（酸またはアルカリ洗浄）、熱処理、機械加工、含浸処理などがあります。
