O que é material de grafite?
Grafite é um alótropo de carbono em forma cristalina com uma estrutura de rede que é hexagonal. Ocorrendo naturalmente, constitui camadas de grafeno e sob condições típicas produz a forma de carbono mais estável. O diamante é formado submetendo grafite a temperatura e pressão elevadas.
Tipos de grafite sintético
As condições do processo para produzir grafite sintético podem ser ajustadas. Portanto, é possível obter diferentes formas ou tipos de grafite sintético. Alguns materiais de grafite sintético comumente produzidos incluem:
O grafite pirolítico é produzido por deposição química de vapor. Este processo envolve a deposição de átomos de carbono em um substrato a temperaturas elevadas sob um ambiente de gás hidrocarboneto. Isso resulta na formação de um grafite altamente orientado e cristalino. O grafite produzido por meio do processo de deposição química de vapor tem muito poucas impurezas. O grafite pirolítico é anisotrópico e exibe condutividade térmica excepcional lateralmente. Ele também tem um baixo coeficiente de expansão térmica útil para oferecer estabilidade dimensional em uma ampla faixa de temperatura. Topo do formulário
Este grafite sintético é formado pela compactação a frio das matérias-primas em blocos moldados em uma prensa isostática. Aqui, há uma aplicação uniforme de pressão de todas as direções, resultando em densidade e propriedades do material uniformes. Entre os grafites sintéticos, o grafite isostático tem os menores tamanhos de grãos. O pó fino de grafite em um molde flexível é submetido a alta pressão em uma prensa isostática de um líquido especializado. O grafite isostático é isotrópico com propriedades consistentes por toda parte e é capaz de grafite de alta pureza. O material de grafite tem uma microestrutura homogênea, com controle dimensional preciso e desempenho determinável. O grafite isostático encontra uso em sinterização industrial, aplicações de alta temperatura e na produção de componentes semicondutores.
O grafite moldado é produzido por meio de um processo de moldagem em que partículas de grafite são comprimidas em um molde. Após colocar o pó de grafite em um molde do formato desejado, a pressão é aplicada compactando o pó. Um processo de aquecimento do molde segue a sinterização das partículas de grafite em um sólido. O grafite moldado pode ter propriedades direcionais, mas permite a produção de componentes de grafite em diferentes formatos. Comparado à prensagem isostática, o grafite moldado é mais econômico, dada a capacidade de criar formatos e tamanhos personalizados. O grafite moldado encontra uso na indústria de fundição, fabricando componentes como cadinhos. Ele também é empregado em aplicações de fundição contínua para a produção de peças metálicas.
O grafite vibrado é produzido por meio de moldagem por vibração, que envolve o uso de um mecanismo vibratório para compactar e moldar partículas de grafite. Partículas de grafite em forma de pó são submetidas a vibrações em um molde, fazendo com que as partículas de grafite se compactem. Essa forma de grafite pode exibir propriedades direcionais dependendo da orientação da moldagem. Além disso, pode apresentar densidades variadas. O grafite moldado por vibração é útil em aplicações de fundição contínua e é apreciado por sua versatilidade na modelagem.
Este tipo de grafite sintético é produzido por meio de um processo de extrusão. Aqui, o pó de grafite e a mistura de ligante são forçados através de uma matriz, criando um perfil contínuo. Depois disso, o material é tratado termicamente para eliminar o ligante e sinterizar as partículas de grafite em um pedaço sólido e coeso. A matriz é geralmente moldada na seção transversal desejada e o produto é cortado em comprimentos preferidos. O grafite extrudado tem densidade moderada e pode exibir propriedades anisotrópicas. Além disso, com o processo de extrusão, é possível produzir perfis uniformes e contínuos.
Fórmula do material de grafite e símbolo de grafite
Como um alótropo de carbono, o grafite é denotado C com o símbolo da International Mineralogical Association (IMA) de Gr. Ele ocorre na forma pura e existe em camadas distintas com ligações fracas chamadas de grafeno. Existem duas formas desse elemento mineral com base na estrutura de rede, alfa e beta.
Material de grafite natural vs grafite sintético
O grafite natural ocorre naturalmente formando-se por meio de uma combinação de processos geológicos sustentados que abrangem milhões de anos. Ele é obtido por meio de mineração ocorrendo em três formas principais: grafite em flocos cristalinos, grafite amorfo e grafite em veios/grumos.
O grafite natural tem uma estrutura irregular e em camadas e pode conter impurezas como silício, enxofre ou alguns outros elementos.
O grafite sintético é produzido submetendo um composto de carbono como carvão e um ligante a processos de alta temperatura. Existem diferentes formas de grafite sintético, como grafite pirolítico e grafite isotrópico. Com esse tipo de grafite, você pode obter uma estrutura controlada com alta pureza.
O grafite sintético pode ser isotrópico ou anisotrópico, dependendo do processo de fabricação. Como é feito sob condições, as propriedades do grafite sintético podem ser projetadas e determinadas durante o processo de fabricação.
O grafite, como elemento de carbono, possui diversas propriedades únicas que influenciam seu uso em diversas aplicações.
Propriedades mecânicas
Embora sua dureza não seja comparável à do diamante, o grafite exibe resistência mecânica relativamente moderada. Sua resistência mecânica é determinada por sua estrutura de treliça e pelas fracas forças intercamadas.
Dadas essas forças fracas, o grafite exibe alguma flexibilidade que permite deformação limitada sob estresse capaz de suportar algumas cargas mecânicas. As propriedades mecânicas do grafite variam com a direção da aplicação da força, facilmente cisalhando lateralmente, mas resistente ao estresse perpendicular.
Propriedades térmicas
Grafite tem alta condutividade térmica graças à sua estrutura que facilita a transferência efetiva de calor ao longo do eixo planar. Esta forma de carbono também tem um alto ponto de fusão excedendo 3.000 °C permitindo aplicações de alto calor como em fornos.
O grafite muda de estado de sólido para gasoso, deformando-se em uma atmosfera de gás inerte a mais de 2450 °C. A sublimação também pode ocorrer a 3750 °C na ausência de oxigênio. A baixa capacidade de calor específico do grafite permite que ele responda rapidamente a mudanças de temperatura.
O grafite também sofre expansão e contração mínimas com essas mudanças de temperatura resultantes de seu baixo coeficiente de expansão. Isso é especialmente útil onde a estabilidade dimensional é essencial. A estabilidade térmica exibida pelo grafite em ambientes redutores ou de alta temperatura também é formidável.
O grafite exibe condutividade térmica anisotrópica com transferência efetiva ao longo, em vez de perpendicular à rede. Quando o grafite é submetido a mudanças de temperatura, ele responde sem fraturar, graças à sua resistência ao choque térmico.
Propriedades elétricas
O grafite apresenta elétrons deslocalizados dentro de sua estrutura de rede que permite a condução de eletricidade. Os átomos de carbono no grafite constituem quatro elétrons de valência, com apenas três deles capazes de se ligar. O quarto elétron livre, portanto, torna a condutividade possível.
Propriedades químicas
O grafite é altamente resistente a produtos químicos, exibindo não reatividade com a maioria dos produtos químicos. Essa inércia química o torna ideal onde a estabilidade química é desejada ou em ambientes corrosivos.
A lubricidade natural do grafite permite o uso na redução de atrito onde lubrificantes líquidos são impraticáveis, como um lubrificante sólido. Isso se deve às camadas de carbono fracamente ligadas que deslizam facilmente umas sobre as outras.
No processo de fabricação de grafite sintético, processos de temperatura elevada estão envolvidos. Além disso, o controle preciso de parâmetros é exercido para atingir os níveis de pureza e propriedades do material desejados.
A produção de grafite sintético utiliza coque ou carvão como matéria-prima primária, juntamente com ligante de piche. Existem dois processos de fabricação comumente usados: o processo Acheson e o tratamento de alta temperatura de compostos de carbono.
Processo Acheson
Neste processo, coque finamente moído e grafite são submetidos ao aquecimento em um forno de resistência elétrica a mais de 2450 °C. Uma reação química resulta que transforma parte do carbono em grafite junto com o carboneto de silício. O grafite é resfriado e depois triturado para atingir o tamanho desejado.
Tratamento de alta temperatura
Compostos de carbono como coque ou carvão são submetidos a altas temperaturas variando entre 2400-3000 °C. O processo, conhecido como pirólise, transforma o conteúdo de carbono em grafite. Um procedimento de resfriamento e britagem segue para atingir a consistência desejada [do artigo.
Grafitização
Neste processo, o material de carbono é submetido a temperaturas elevadas que excedem 2500 °C sob condições controladas. O resultado é o rearranjo dos átomos de carbono em uma estrutura de rede hexagonal.
Tratamentos
O tratamento do grafite formado pode seguir para determinar os níveis de pureza ou modificar as propriedades da superfície da partícula. O grafite também pode ser entrelaçado com outros compostos para alterar as propriedades gerais do material.
Após a produção do grafite sintético, ele pode ser formado por vários meios, como moldagem, extrusão e usinagem.
Usinagem de grafite
O processo de usinagem de grafite envolve moldar e finalizar o material de grafite para atingir o acabamento e a aparência desejados. Diferentes ferramentas são usadas, como ferramentas de diamante ou carboneto. Ao usinar grafite, considere sua fragilidade e anisotropia.
Fresagem de grafite
Ao fresar grafite, você remove material da peça de trabalho usando cortadores rotativos como fresadoras para obter certos formatos. Ferramentas de carboneto em tais máquinas são usadas por sua resistência ao desgaste e dureza.
Para obter remoção eficiente de material, é empregada usinagem de alta velocidade. Como o grafite produz partículas finas, é essencial praticar o controle de poeira para garantir um processo suave e reduzir riscos à saúde.
Torneamento de grafite
Ao girar uma peça de grafite, ela é girada contra uma ferramenta de corte, geralmente para criar perfis cilíndricos. O torneamento é um processo de fabricação subtrativo, pois envolve a remoção de material. As máquinas de torneamento CNC encontram uso comum no torneamento de grafite, oferecendo alta precisão e automação.
As ferramentas de corte em uma máquina de torneamento usada para grafite possuem alta dureza e resistência ao desgaste. Elas incluem ferramentas revestidas de diamante e carboneto. Velocidade de corte, taxa de avanço e profundidade de corte são alguns dos aspectos a serem considerados ao tornear grafite.
Como o grafite é quebradiço, minimizar a vibração e fornecer suporte adequado à peça de trabalho é necessário para evitar quebra da ferramenta e lascamento. O grafite de torneamento pode ser utilizado na fabricação de rolamentos e vedações de grafite.
Moagem de grafite
A retificação de grafite utiliza ferramentas abrasivas para remover material e atingir um acabamento de superfície e/ou dimensões desejadas. É comumente aplicada como uma operação de acabamento utilizando rodas de retificação com partículas abrasivas.
Abrasivos comumente usados são nitreto cúbico de boro e diamante. Ao moer grafite, a precisão é essencial para atingir acabamentos superficiais finos e tolerâncias apertadas. O uso de refrigerantes não é necessário devido ao risco de contaminação.
Perfuração de grafite
A criação de furos em peças de grafite é possível por meio de perfuração usando brocas. Essas brocas podem ser sob controle numérico computadorizado ou manual, a primeira oferecendo maior precisão. Ao perfurar grafite, você precisa prender a peça de trabalho para evitar movimento durante a operação de perfuração.
Existem diferentes métodos de perfuração, como perfuração por torção, perfuração por picote, perfuração central e escareamento e afundamento. Ao perfurar, você considera aspectos como a profundidade e o tamanho do furo. Eles serão influenciados pela broca e pela velocidade.
Graças às notáveis propriedades do grafite, incluindo lubricidade, condutividade elétrica e tolerância térmica, ele encontra vários usos em todas as indústrias. Alguns desses usos são capturados da seguinte forma:
Grafite na Indústria Nuclear
Uma aplicação importante do grafite na indústria nuclear é seu uso em alguns reatores como um material moderador. Nessa função, ele desacelera o movimento de nêutrons, permitindo a ocorrência de reações nucleares sustentadas.
Os invólucros para canais de combustível em reatores avançados resfriados a gás são feitos de grafite. Este material tolera altas temperaturas e condições de irradiação, ao mesmo tempo em que fornece estabilidade e suporte mecânico.
Além disso, o grafite oferece blindagem contra radiação, pois pode atenuar os efeitos da radiação. Essa propriedade permite seu uso na fabricação de equipamentos de proteção individual e também no armazenamento de longo prazo de resíduos nucleares.
Grafite em Metalurgia
A estabilidade em alta temperatura e a inércia química do grafite tornam seu uso como material refratário em metalurgia ideal. Um material refratário é essencialmente resistente ao calor ou à decomposição química. Tal material, em vez disso, retém suas propriedades físicas e estrutura.
O grafite pode ser usado para fazer tijolos refratários sozinho ou quando misturado com magnésio. Tal uso é proeminente na fundição contínua de aço e se estende à fabricação de cadinhos e moldes usados para conter metais fundidos.
Na fundição contínua de aço, o grafite é combinado com zircônia, alumina e zircônia para fazer bicos, hastes de rolha e conchas. Eles ajudam a regular o fluxo de aço fundido, ao mesmo tempo em que protegem contra oxidação.
Blocos de grafite também são utilizados na produção de ferro para revestir o alto-forno. Sua alta resistência térmica e baixa expansão térmica são alguns fatores que reforçam seu uso dessa forma. Eles também encontram uso em fornos metalúrgicos como eletrodos.
Grafite na Indústria Química
O uso de grafite na indústria química se deve à sua inércia química e estabilidade térmica, o que o torna não afetado nem por reações exotérmicas. O grafite é utilizado na fabricação de equipamentos resistentes à corrosão usados em processos químicos, como vasos de reação usados em laboratórios.
Os sistemas de tubulação em plantas químicas utilizam tubos e conexões de grafite para transportar líquidos corrosivos, como ácidos e soluções básicas. Além disso, o material de grafite encontra uso na fabricação de vedações e juntas químicas para prevenção de vazamentos.
A eletrólise da salmoura produz hidrogênio, cloro e hidróxido de sódio com grafite utilizado para os eletrodos. Outros processos eletroquímicos como galvanoplastia também utilizam eletrodos de grafite. Além disso, em reações que utilizam catalisadores, o grafite pode atuar como material de suporte.
Grafite na Indústria Elétrica
Há muitos usos de grafite na indústria elétrica com o material comumente usado em eletrodos de bateria, por exemplo, baterias de íons de lítio. Aqui, o grafite é utilizado como material de ânodo. O grafite também é capaz de condutividade elétrica com baixa resistividade.
Suas propriedades elétricas permitem seu uso em motores e geradores elétricos para fazer escovas e contatos. Escovas de grafite oferecem um caminho condutor entre o rotor e a parte estacionária, o que garante que não haja interrupção no fluxo elétrico.
Além disso, a lubricidade do grafite é essencial para reduzir o atrito, prevenindo assim o desgaste e suavizando a condutividade elétrica. Isso é exemplificado em contatos elétricos deslizantes, como observado em resistores variáveis, interruptores e potenciômetros.
A alta tolerância térmica do grafite permite seu uso no gerenciamento de calor para dispositivos eletrônicos, prevenindo o superaquecimento. Utilizar material de grafite como um material de interface térmica ou como um dissipador de calor auxilia os componentes eletrônicos a dissipar o calor gerado.
Termopares usados em ambientes de alta temperatura utilizam material de grafite como material de proteção. A inércia química do material protege o termopar de gases corrosivos, garantindo medições de temperatura precisas.
Devido às propriedades lubrificantes do grafite, ele é utilizado como lubrificante seco onde lubrificantes líquidos são inadequados. Por exemplo, rolamentos de grafite podem operar sem a necessidade de lubrificação. O grafite também pode ser usado para aumentar as propriedades térmicas em materiais compostos usados nos campos automotivo e aeroespacial.
Este material é usado em anéis de pistão e camisas de cilindro de motores de alto desempenho devido à redução de atrito e excelente resistência ao desgaste. A usinabilidade do grafite e a estabilidade de temperatura permitem a produção de matrizes e moldes para fundição de metais.
Uso de grafite na indústria automotiva e aeroespacial
Pastilhas e lonas de freio veiculares e de aeronaves utilizam material de grafite devido às propriedades de atrito superiores, melhorando o desempenho de frenagem. Sua estabilidade em alta temperatura e resistência química permitem a aplicação em juntas e vedações de motores automotivos.
Ao desenvolver materiais compostos para peças e componentes de aeronaves como fuselagem, o grafite é utilizado por suas qualidades térmicas e resistência química. Este material também é usado em bicos de foguetes de aeronaves e câmaras de propulsão por sua estabilidade térmica e resistência à corrosão.
