Wat is grafietmateriaal?
Grafiet is een koolstofallotroop in kristalvorm met een roosterstructuur die hexagonaal is. Het komt van nature voor, vormt grafeenlagen en vormt onder normale omstandigheden de meest stabiele koolstofvorm. Diamant wordt gevormd door grafiet bloot te stellen aan verhoogde temperatuur en druk.
Soorten synthetisch grafiet
De procesomstandigheden voor het produceren van synthetisch grafiet kunnen worden aangepast. Het is daarom mogelijk om verschillende vormen of typen synthetisch grafiet te bereiken. Enkele veelvoorkomende synthetische grafietmaterialen zijn:
Pyrolytisch grafiet wordt geproduceerd door chemische dampafzetting. Dit proces omvat de afzetting van koolstofatomen op een substraat bij verhoogde temperaturen in een koolwaterstofgasomgeving. Dit resulteert in de vorming van een zeer georiënteerd en kristallijn grafiet. Grafiet geproduceerd via het chemische dampafzettingsproces heeft zeer weinig onzuiverheden. Pyrolytisch grafiet is anisotroop en vertoont uitzonderlijke thermische geleidbaarheid lateraal. Het heeft ook een lage thermische uitzettingscoëfficiënt die nuttig is bij het bieden van dimensionale stabiliteit over een breed temperatuurbereik. Bovenkant van formulier
Dit synthetische grafiet wordt gevormd door de grondstoffen in gevormde blokken koud te verdichten in een isostatische pers. Hierbij wordt vanuit alle richtingen een gelijkmatige druk uitgeoefend, wat resulteert in een gelijkmatige dichtheid en materiaaleigenschappen. Van alle synthetische grafietsoorten heeft isostatisch grafiet de kleinste korrelgroottes. Fijn grafietpoeder in een flexibele mal wordt in een isostatische pers aan hoge druk onderworpen vanuit een gespecialiseerde vloeistof. Isostatisch grafiet is isotroop met consistente eigenschappen en is in staat tot grafiet met een hoge zuiverheid. Het grafietmateriaal heeft een homogene microstructuur, met nauwkeurige dimensionale controle en bepaalbare prestaties. Isostatisch grafiet wordt gebruikt bij industrieel sinteren, toepassingen bij hoge temperaturen en de productie van halfgeleidercomponenten.
Gegoten grafiet wordt geproduceerd door een gietproces waarbij grafietdeeltjes worden samengeperst in een mal. Nadat het grafietpoeder in een mal van de gewenste vorm is geplaatst, wordt er druk uitgeoefend om het poeder te comprimeren. Een verwarmingsproces van de mal volgt op het sinteren van de grafietdeeltjes tot een vaste stof. Gegoten grafiet kan directionele eigenschappen hebben, maar maakt de productie van grafietcomponenten in verschillende vormen mogelijk. Vergeleken met isostatisch persen is het gieten van grafiet kosteneffectiever vanwege de mogelijkheid om aangepaste vormen en maten te creëren. Gegoten grafiet vindt toepassing in de gieterij-industrie voor de productie van componenten zoals smeltkroezen. Het wordt ook gebruikt in continugiettoepassingen voor de productie van metalen onderdelen.
Gevibreerd grafiet wordt geproduceerd door middel van vibratiegieten, waarbij een vibrerend mechanisme wordt gebruikt om grafietdeeltjes te verdichten en te vormen. Grafietdeeltjes in poedervorm worden onderworpen aan trillingen in een mal, waardoor de grafietdeeltjes worden verdicht. Deze grafietvorm kan directionele eigenschappen vertonen, afhankelijk van de gietoriëntatie. Bovendien kan het verschillende dichtheden hebben. Vibratiegegoten grafiet is nuttig bij continugiettoepassingen en wordt gewaardeerd om zijn veelzijdigheid in vormgeving.
Dit type synthetisch grafiet wordt geproduceerd via een extrusieproces. Hierbij wordt het mengsel van grafietpoeder en bindmiddel door een matrijs geperst, waardoor een continu profiel ontstaat. Daarna wordt het materiaal hittebehandeld om het bindmiddel te verwijderen en de grafietdeeltjes te sinteren tot een vaste en samenhangende klomp. De matrijs wordt meestal gevormd in de gewenste doorsnede en het product wordt gesneden in gewenste lengtes. Geëxtrudeerd grafiet heeft een gemiddelde dichtheid en kan anisotrope eigenschappen vertonen. Bovendien is het met het extrusieproces mogelijk om uniforme en continue profielen te produceren.
Formule voor grafietmateriaal en grafietsymbool
Als koolstofallotroop wordt grafiet aangeduid met C met het symbool van de International Mineralogical Association (IMA) Gr. Het komt voor in zuivere vorm en bestaat uit verschillende lagen met zwakke bindingen, grafeen genoemd. Er zijn twee vormen van dit mineraalelement op basis van roosterstructuur, alfa en bèta.
Natuurlijk grafietmateriaal versus synthetisch grafiet
Natuurlijk grafiet ontstaat op natuurlijke wijze door een combinatie van aanhoudende geologische processen die miljoenen jaren duren. Het wordt verkregen door mijnbouw in drie hoofdvormen: kristallijn vlokgrafiet, amorf grafiet en ader-/klontgrafiet.
Natuurlijk grafiet heeft een onregelmatige, gelaagde structuur en kan onzuiverheden bevatten zoals silicium, zwavel en andere elementen.
Synthetisch grafiet wordt geproduceerd door een koolstofverbinding zoals steenkool en een bindmiddel te onderwerpen aan hogetemperatuurprocessen. Er zijn verschillende vormen van synthetisch grafiet zoals pyrolytisch grafiet en isotroop grafiet. Met dit type grafiet kunt u een gecontroleerde structuur met hoge zuiverheid bereiken.
Synthetisch grafiet kan isotroop of anisotroop zijn, afhankelijk van het productieproces. Omdat het onder bepaalde omstandigheden wordt gemaakt, kunnen de eigenschappen van synthetisch grafiet worden ontworpen en bepaald tijdens het productieproces.
Grafiet als koolstofelement bezit een aantal unieke eigenschappen die van invloed zijn op het gebruik ervan in verschillende toepassingen.
Mechanische eigenschappen
Hoewel de hardheid niet te vergelijken is met die van diamant, vertoont grafiet een relatief matige mechanische sterkte. De mechanische sterkte wordt bepaald door de roosterstructuur en de zwakke krachten tussen de lagen.
Gegeven deze zwakke krachten, vertoont grafiet enige flexibiliteit die beperkte vervorming onder spanning toelaat en in staat is om enkele mechanische belastingen te weerstaan. De mechanische eigenschappen van grafiet variëren met de richting van de krachttoepassing, gemakkelijk lateraal afschuivend maar bestand tegen loodrechte spanning.
Thermische eigenschappen
Grafiet heeft een hoge thermische geleidbaarheid dankzij de structuur die effectieve warmteoverdracht langs de vlakke as mogelijk maakt. Deze koolstofvorm heeft ook een hoog smeltpunt van meer dan 3.000 °C, wat toepassingen met hoge temperaturen mogelijk maakt, zoals in ovens.
Grafiet verandert van een vaste toestand naar een gas dat vervormt in een atmosfeer van inert gas bij meer dan 2450 °C. Sublimatie kan ook plaatsvinden bij 3750 °C bij afwezigheid van zuurstof. De lage specifieke warmtecapaciteit van grafiet zorgt ervoor dat het snel reageert op temperatuurveranderingen.
Grafiet ondergaat ook minimale uitzetting en krimp met deze temperatuurveranderingen als gevolg van hun lage uitzettingscoëfficiënt. Dit is vooral handig wanneer dimensionale stabiliteit van cruciaal belang is. De thermische stabiliteit die grafiet vertoont in reducerende of hoge temperatuuromgevingen is ook formidabel.
Grafiet vertoont anisotrope thermische geleidbaarheid met effectieve overdracht langs in plaats van loodrecht op het rooster. Wanneer grafiet wordt blootgesteld aan temperatuurveranderingen, reageert het zonder te breken dankzij zijn weerstand tegen thermische schokken.
Elektrische eigenschappen
Grafiet heeft gedelokaliseerde elektronen in zijn roosterstructuur die elektriciteitsgeleiding mogelijk maken. De koolstofatomen in grafiet vormen vier valentie-elektronen waarvan er slechts drie in staat zijn om te binden. Het vrije vierde elektron maakt dus geleiding mogelijk.
Chemische eigenschappen
Grafiet is zeer chemisch bestendig en vertoont geen reactiviteit met de meeste chemicaliën. Deze chemische inertheid maakt het ideaal waar chemische stabiliteit gewenst is of in corrosieve omgevingen.
De natuurlijke smering van grafiet maakt het mogelijk om het te gebruiken bij wrijvingsvermindering waar vloeibare smeermiddelen onpraktisch zijn, als vast smeermiddel. Dit is te danken aan de zwak gebonden koolstoflagen die gemakkelijk over elkaar heen glijden.
Bij het productieproces van synthetisch grafiet zijn verhoogde temperatuurprocessen betrokken. Daarnaast wordt er nauwkeurige parametercontrole uitgeoefend om de gewenste zuiverheidsniveaus en materiaaleigenschappen te bereiken.
Synthetische grafietproductie gebruikt cokes of steenkool als primaire grondstof naast pekbinder. Er zijn twee veelgebruikte productieprocessen: het Acheson-proces en de hogetemperatuurbehandeling van koolstofverbindingen.
Acheson-proces
In dit proces worden fijngemalen cokes en grafiet verhit in een elektrische weerstandsoven op meer dan 2450 °C. Er ontstaat een chemische reactie die een deel van de koolstof omzet in grafiet, samen met siliciumcarbide. Het grafiet wordt gekoeld en vervolgens vermalen om de gewenste grootte te bereiken.
Hoge temperatuurbehandeling
Koolstofverbindingen zoals cokes of steenkool worden blootgesteld aan hoge temperaturen variërend van 2400-3000 °C. Het proces, pyrolyse genoemd, transformeert de koolstofinhoud in grafiet. Een koel- en verbrijzelingsprocedure volgt om de gewenste [artikelconsistentie te bereiken.
Grafitisering
In dit proces wordt het koolstofmateriaal onderworpen aan verhoogde temperaturen van meer dan 2500 °C onder gecontroleerde omstandigheden. Het resultaat is de herschikking van de koolstofatomen in een hexagonale roosterstructuur.
Behandelingen
Behandeling van het gevormde grafiet kan volgen om de zuiverheidsniveaus te bepalen of de oppervlakte-eigenschappen van het deeltje te wijzigen. Grafiet kan ook worden verweven met andere verbindingen om de algehele eigenschappen van het materiaal te wijzigen.
Nadat synthetisch grafiet is geproduceerd, kan het op verschillende manieren worden gevormd, bijvoorbeeld door middel van gieten, extruderen en bewerken.
Grafietbewerking
Het proces van het bewerken van grafiet omvat het vormen en afwerken van het grafietmateriaal om de gewenste afwerking en uitstraling te bereiken. Verschillende gereedschappen worden gebruikt, zoals diamant- of hardmetalen gereedschappen. Houd bij het bewerken van grafiet rekening met de brosheid en anisotropie.
Frezen van grafiet
Bij het frezen van grafiet verwijdert u materiaal van het werkstuk met behulp van roterende snijmachines zoals freesmachines om bepaalde vormen te bereiken. Carbidegereedschappen in dergelijke machines worden gebruikt vanwege hun slijtvastheid en hardheid.
Om efficiënt materiaal te verwijderen, wordt hogesnelheidsbewerking toegepast. Omdat grafiet fijne deeltjes produceert, is het essentieel om stofbeheersing toe te passen om een soepel proces te garanderen en gezondheidsrisico's te verminderen.
Grafiet draaien
Bij het draaien van een grafietwerkstuk wordt het tegen een snijgereedschap gedraaid, meestal om cilindrische profielen te creëren. Draaien is een subtractief productieproces, aangezien het materiaalverwijdering met zich meebrengt. CNC-draaimachines worden veel gebruikt bij het draaien van grafiet en bieden een hoge precisie en automatisering.
De snijgereedschappen in een draaimachine die wordt gebruikt voor grafiet bezitten een hoge hardheid en slijtvastheid. Deze omvatten diamantgecoate gereedschappen en hardmetaal. Snijsnelheid, voedingssnelheid en snedediepte zijn enkele aspecten om te overwegen bij het draaien van grafiet.
Omdat grafiet bros is, is het minimaliseren van trillingen en het bieden van voldoende ondersteuning van het werkstuk noodzakelijk om breuk van het gereedschap en afbrokkeling te voorkomen. Draaigrafiet kan worden gebruikt bij het maken van lagers en grafietafdichtingen.
Grafiet slijpen
Grafiet slijpen maakt gebruik van schuurmiddelen om materiaal te verwijderen om een gewenste oppervlakteafwerking en/of afmetingen te verkrijgen. Het wordt vaak toegepast als een afwerkingsbewerking met behulp van slijpschijven met schuurdeeltjes.
Veelgebruikte schuurmiddelen zijn kubisch boornitride en diamant. Bij het slijpen van grafiet is precisie essentieel om fijne oppervlakteafwerkingen en nauwe toleranties te bereiken. Het gebruik van koelmiddelen is niet nodig vanwege het risico op verontreiniging.
Boren Grafiet
Het maken van gaten in grafietwerkstukken wordt mogelijk gemaakt door te boren met behulp van boorbits. Deze boren kunnen onder computer numerieke controle of handmatig zijn, waarbij de eerste een hogere precisie biedt. Bij het boren in grafiet moet u het werkstuk vastzetten om beweging tijdens de boorbewerking te voorkomen.
Er zijn verschillende boormethoden zoals twist drilling, peck drilling, center drilling en counter bore and sinking. Bij het boren houdt u rekening met aspecten zoals de diepte en grootte van het gat. Deze worden beïnvloed door de boor en de snelheid.
Dankzij de opmerkelijke eigenschappen van grafiet, waaronder smeerbaarheid, elektrische geleidbaarheid en thermische tolerantie, vindt het verschillende toepassingen in verschillende industrieën. Enkele van deze toepassingen worden als volgt vastgelegd:
Grafiet in de nucleaire industrie
Een belangrijke toepassing van grafiet in de nucleaire industrie is het gebruik ervan in sommige reactoren als moderatormateriaal. In deze rol vertraagt het de neutronenbeweging, waardoor aanhoudende nucleaire reacties kunnen plaatsvinden.
Behuizingen voor brandstofkanalen in geavanceerde gasgekoelde reactoren worden gemaakt van grafiet. Dit materiaal verdraagt de hoge temperaturen en bestralingsomstandigheden en biedt tegelijkertijd stabiliteit en mechanische ondersteuning.
Bovendien biedt grafiet stralingsafscherming omdat het de effecten van straling kan verzwakken. Deze eigenschap maakt het mogelijk om het te gebruiken bij het maken van persoonlijke beschermingsmiddelen en ook bij de langdurige opslag van kernafval.
Grafiet in de metallurgie
De hoge temperatuurstabiliteit en chemische inertheid van grafiet maken het gebruik ervan als vuurvast materiaal in de metallurgie ideaal. Een vuurvast materiaal is in principe bestand tegen hitte of chemische ontleding. Zo'n materiaal behoudt daarentegen zijn fysieke eigenschappen en structuur.
Grafiet kan worden gebruikt om vuurvaste stenen te maken, op zichzelf of wanneer gemengd met magnesium. Dit gebruik is prominent in continu staalgieten en strekt zich uit tot het maken van smeltkroezen en mallen die worden gebruikt om gesmolten metalen te bevatten.
Bij continu staalgieten wordt grafiet gecombineerd met zirkonia en aluminiumoxide en zirkonia om sproeiers, stopstaven en gietlepels te maken. Deze helpen de stroom van gesmolten staal te reguleren en beschermen ook tegen oxidatie.
Grafietblokken worden ook gebruikt bij de productie van ijzer om de hoogoven te bekleden. Hun hoge thermische weerstand en lage thermische uitzetting zijn enkele factoren die hun gebruik op deze manier ondersteunen. Ze worden ook gebruikt in metallurgische ovens als elektroden.
Grafiet in de chemische industrie
Het gebruik van grafiet in de chemische industrie is te danken aan zijn chemische inertheid en thermische stabiliteit, waardoor het niet wordt beïnvloed door zelfs exotherme reacties. Grafiet wordt gebruikt bij het maken van corrosiebestendige apparatuur voor chemische processen, zoals reactievaten in laboratoria.
Leidingsystemen in chemische fabrieken gebruiken grafietbuizen en -fittingen om corrosieve vloeistoffen zoals zuren en basische oplossingen te transporteren. Daarnaast wordt grafietmateriaal gebruikt bij het maken van chemische afdichtingen en pakkingen voor lekkagepreventie.
De elektrolyse van pekel produceert waterstof, chloor en natriumhydroxide met grafiet dat wordt gebruikt voor de elektroden. Andere elektrochemische processen zoals galvaniseren maken ook gebruik van grafietelektroden. Bovendien kan grafiet in reacties met behulp van katalysatoren fungeren als dragermateriaal.
Grafiet in de elektrotechnische industrie
Er zijn veel toepassingen van grafiet in de elektrische industrie met het materiaal dat gewoonlijk wordt gebruikt in batterij-elektroden, bijvoorbeeld lithium-ionbatterijen. Hier wordt grafiet gebruikt als anodemateriaal. Grafiet is ook in staat tot elektrische geleidbaarheid met lage weerstand.
De elektrische eigenschappen maken het mogelijk om het te gebruiken in elektromotoren en generatoren om borstels en contacten te maken. Grafietborstels bieden een geleidend pad tussen de rotor en het stationaire deel, wat ervoor zorgt dat er geen verstoring is in de elektrische stroom.
Ook is de smerende werking van grafiet essentieel om wrijving te verminderen en zo slijtage en soepele elektrische geleiding te voorkomen. Dit wordt geïllustreerd door glijdende elektrische contacten zoals waargenomen in variabele weerstanden, schakelaars en potentiometers.
De hoge thermische tolerantie van grafiet maakt het mogelijk om het te gebruiken in warmtebeheer voor elektronische apparaten om oververhitting te voorkomen. Het gebruik van grafietmateriaal als thermisch interfacemateriaal of als koellichaam helpt elektronische componenten bij het afvoeren van gegenereerde warmte.
Thermokoppels die in omgevingen met hoge temperaturen worden gebruikt, gebruiken grafietmateriaal als beschermend materiaal. De chemische inertheid van het materiaal beschermt het thermokoppel tegen corrosieve gassen, wat zorgt voor nauwkeurige temperatuurmetingen.
Vanwege de smerende eigenschappen van grafiet wordt het gebruikt als droog smeermiddel waar vloeibare smeermiddelen niet geschikt zijn. Zo kunnen grafietlagers werken zonder dat ze gesmeerd hoeven te worden. Grafiet kan ook worden gebruikt om thermische eigenschappen te verbeteren in composietmaterialen die worden gebruikt in de automobiel- en ruimtevaartsector.
Dit materiaal wordt gebruikt in zuigerveren en cilinderbussen van motoren met hoge prestaties vanwege hun wrijvingsvermindering en uitstekende slijtvastheid. De bewerkbaarheid van grafiet en temperatuurstabiliteit maken matrijzen- en malproductie voor metaalgieten mogelijk.
Het gebruik van grafiet in de automobiel- en lucht- en ruimtevaartindustrie
Remblokken en -voeringen voor voertuigen en vliegtuigen maken gebruik van grafietmateriaal vanwege de superieure wrijvingseigenschappen die de remprestaties verbeteren. De stabiliteit bij hoge temperaturen en de chemische bestendigheid maken toepassing in pakkingen en afdichtingen van automotoren mogelijk.
Bij het ontwikkelen van composietmaterialen voor vliegtuigonderdelen en componenten zoals romp, wordt grafiet gebruikt vanwege de thermische eigenschappen en chemische bestendigheid. Dit materiaal wordt ook gebruikt in straalpijpen en stuwkamers van vliegtuigraketten vanwege de thermische stabiliteit en corrosiebestendigheid.
