Что такое графитовый материал?
Графит — это аллотроп углерода в кристаллической форме с гексагональной структурой решетки. Встречаясь в природе, он образует слои графена и при типичных условиях образует наиболее стабильную форму углерода. Алмаз образуется при воздействии на графит повышенной температуры и давления.
Типы синтетического графита
Условия процесса получения синтетического графита можно регулировать. Таким образом, можно получать различные формы или типы синтетического графита. Некоторые часто производимые синтетические графитовые материалы включают:
Пиролитический графит производится методом химического осаждения из паровой фазы. Этот процесс включает осаждение атомов углерода на подложку при повышенных температурах в среде углеводородного газа. Это приводит к образованию высокоориентированного и кристаллического графита. Графит, полученный методом химического осаждения из паровой фазы, содержит очень мало примесей. Пиролитический графит анизотропен и обладает исключительной теплопроводностью в поперечном направлении. Он также имеет низкий коэффициент теплового расширения, что полезно для обеспечения размерной стабильности в широком диапазоне температур. Верхняя часть формы
Этот синтетический графит формируется путем холодного прессования сырья в формованные блоки в изостатическом прессе. Здесь происходит равномерное приложение давления со всех сторон, что приводит к равномерной плотности и свойствам материала. Среди синтетического графита изостатический графит имеет наименьшие размеры зерна. Мелкий графитовый порошок в гибкой форме подвергается высокому давлению в изостатическом прессе из специализированной жидкости. Изостатический графит изотропен с постоянными свойствами по всей длине и способен производить графит высокой чистоты. Графитовый материал имеет однородную микроструктуру с точным контролем размеров и определяемыми характеристиками. Изостатический графит находит применение в промышленном спекании, высокотемпературных применениях и производстве полупроводниковых компонентов.
Формованный графит производится посредством процесса формования, при котором частицы графита сжимаются в форме. После помещения порошка графита в форму желаемой формы, применяется давление, уплотняющее порошок. Процесс нагревания формы следует за спеканием частиц графита в твердое тело. Формованный графит может иметь направленные свойства, но позволяет производить графитовые компоненты различной формы. По сравнению с изостатическим прессованием, формованный графит более экономически эффективен, учитывая возможность создания индивидуальных форм и размеров. Формованный графит находит применение в литейной промышленности при изготовлении таких компонентов, как тигли. Он также используется в приложениях непрерывного литья для производства металлических деталей.
Вибрационный графит производится посредством вибрационного формования, которое включает использование вибрационного механизма для уплотнения и формования частиц графита. Частицы графита в виде порошка подвергаются вибрации в форме, что приводит к уплотнению частиц графита. Эта форма графита может проявлять направленные свойства в зависимости от ориентации формования. Кроме того, она может иметь различную плотность. Вибрационный формованный графит полезен в приложениях непрерывного литья и ценится за его универсальность в формовании.
Этот тип синтетического графита производится посредством процесса экструзии. Здесь смесь графитового порошка и связующего продавливается через фильеру, создавая непрерывный профиль. После этого материал подвергается термической обработке для удаления связующего и спекания частиц графита в твердый и связный комок. Фильера обычно формируется в желаемом поперечном сечении, а продукт разрезается на желаемые длины. Экструдированный графит имеет умеренную плотность и может проявлять анизотропные свойства. Кроме того, с помощью процесса экструзии можно производить однородные и непрерывные профили.
Формула материала графита и символ графита
Как аллотроп углерода, графит обозначается C с символом Международной минералогической ассоциации (IMA) Gr. Он встречается в чистом виде и существует в отдельных слоях со слабыми связями, называемыми графеном. Существуют две формы этого минерального элемента, основанные на структуре решетки, альфа и бета.
Натуральный графитовый материал против синтетического графита
Природный графит образуется естественным образом в результате сочетания непрерывных геологических процессов, охватывающих миллионы лет. Он добывается путем добычи, встречаясь в трех основных формах: кристаллический чешуйчатый графит, аморфный графит и жильный/кусковой графит.
Природный графит имеет нерегулярную слоистую структуру и может содержать примеси, такие как кремний, сера и некоторые другие элементы.
Синтетический графит производится путем воздействия на углеродное соединение, например уголь, и связующее вещество высокотемпературных процессов. Существуют различные формы синтетического графита, например пиролитический графит и изотропный графит. С этим типом графита можно получить контролируемую структуру с высокой чистотой.
Синтетический графит может быть изотропным или анизотропным в зависимости от процесса производства. Поскольку он производится в условиях, свойства синтетического графита могут быть спроектированы и определены в процессе производства.
Графит как углеродный элемент обладает рядом уникальных свойств, которые влияют на его использование в различных областях.
Механические свойства
Несмотря на то, что его твердость не сопоставима с твердостью алмаза, графит обладает относительно умеренной механической прочностью. Его механическая прочность определяется его решеточной структурой и слабыми межслоевыми силами.
Учитывая эти слабые силы, графит проявляет некоторую гибкость, которая допускает ограниченную деформацию под напряжением, способную выдерживать некоторые механические нагрузки. Механические свойства графита изменяются в зависимости от направления приложения силы, легко сдвигается вбок, но устойчив к перпендикулярному напряжению.
Тепловые свойства
Графит обладает высокой теплопроводностью благодаря своей структуре, способствующей эффективной передаче тепла вдоль плоской оси. Эта форма углерода также имеет высокую температуру плавления, превышающую 3000 °C, что позволяет использовать его в условиях высоких температур, например, в печах.
Графит изменяет состояние с твердого на газообразное, деформируясь в атмосфере инертного газа при температуре более 2450 °C. Сублимация может происходить также при температуре 3750 °C в отсутствие кислорода. Низкая удельная теплоемкость графита позволяет ему быстро реагировать на изменения температуры.
Графит также претерпевает минимальное расширение и сжатие при этих изменениях температуры, что является результатом его низкого коэффициента расширения. Это особенно полезно там, где размерная стабильность является ключевой. Термическая стабильность, демонстрируемая графитом в восстановительных или высокотемпературных средах, также является грозной.
Графит проявляет анизотропную теплопроводность с эффективным переносом вдоль, а не перпендикулярно решетке. Когда графит подвергается изменениям температуры, он реагирует без разрушения благодаря своей устойчивости к тепловому удару.
Электрические свойства
Графит имеет делокализованные электроны в своей решеточной структуре, что обеспечивает электропроводность. Атомы углерода в графите образуют четыре валентных электрона, и только три из них способны образовывать связи. Таким образом, свободный четвертый электрон делает возможной проводимость.
Химические свойства
Графит обладает высокой химической стойкостью, демонстрируя нереактивность с большинством химикатов. Эта химическая инертность делает его идеальным там, где требуется химическая стабильность или в коррозионных средах.
Естественная смазывающая способность графита позволяет использовать его в качестве твердой смазки для снижения трения, где жидкие смазки непрактичны. Это происходит благодаря слабо связанным слоям углерода, которые легко скользят друг по другу.
В процессе производства синтетического графита задействованы процессы с повышенной температурой. Кроме того, осуществляется точный контроль параметров для достижения желаемых уровней чистоты и свойств материала.
Производство синтетического графита использует кокс или уголь в качестве основного сырья наряду со связующим пеком. Существует два широко используемых производственных процесса: процесс Ачесона и высокотемпературная обработка соединений углерода.
Процесс Ачесона
В этом процессе тонко измельченный кокс и графит подвергаются нагреванию в электропечи сопротивления при температуре более 2450 °C. Происходит химическая реакция, в результате которой часть углерода преобразуется в графит вместе с карбидом кремния. Графит охлаждается, а затем измельчается для достижения желаемого размера.
Высокотемпературная обработка
Углеродные соединения, такие как кокс или уголь, подвергаются воздействию высоких температур в диапазоне от 2400 до 3000 °C. Процесс, называемый пиролизом, преобразует углеродное содержимое в графит. Затем следует процедура охлаждения и дробления для достижения желаемой [консистенции статьи.
Графитизация
В этом процессе углеродный материал подвергается воздействию повышенных температур, превышающих 2500 °C, в контролируемых условиях. Результатом является перегруппировка атомов углерода в гексагональную решетчатую структуру.
Процедуры
Обработка сформированного графита может быть продолжена для определения уровней чистоты или изменения поверхностных свойств частиц. Графит также может быть переплетен с другими соединениями для изменения общих свойств материала.
После получения синтетического графита его можно формовать различными способами, такими как формование, экструзия и механическая обработка.
Обработка графита
Процесс обработки графита включает в себя формовку и отделку графитового материала для достижения желаемой отделки и внешнего вида. Используются различные инструменты, такие как алмазные или твердосплавные. При обработке графита следует учитывать его хрупкость и анизотропию.
Фрезерный графит
При фрезеровании графита вы удаляете материал с заготовки с помощью вращающихся резцов, таких как фрезерные станки, для достижения определенных форм. Твердосплавный инструмент в таких станках используется из-за его износостойкости и твердости.
Для эффективного удаления материала применяется высокоскоростная обработка. Поскольку графит образует мелкие частицы, важно контролировать образование пыли, чтобы обеспечить плавный процесс и снизить опасность для здоровья.
Токарный Графит
При точении графитовой заготовки она вращается против режущего инструмента, как правило, для создания цилиндрических профилей. Точение является субтрактивным производственным процессом, поскольку оно влечет за собой удаление материала. Токарные станки с ЧПУ широко используются при точении графита, обеспечивая высокую точность и автоматизацию.
Режущие инструменты в токарных станках, используемых для графита, обладают высокой твердостью и износостойкостью. К ним относятся инструменты с алмазным покрытием и карбид. Скорость резания, скорость подачи и глубина резания — вот некоторые из аспектов, которые следует учитывать при точении графита.
Поскольку графит является хрупким, необходимо минимизировать вибрацию и обеспечить адекватную поддержку заготовки, чтобы предотвратить поломку инструмента и образование сколов. Токарный графит может использоваться для изготовления подшипников и графитовых уплотнений.
Шлифовальный графит
Графитовая шлифовка использует абразивные инструменты для удаления материала с целью достижения желаемой отделки поверхности и/или размеров. Обычно применяется в качестве финишной операции с использованием шлифовальных кругов с абразивными частицами.
Обычно используемые абразивы — кубический нитрид бора и алмаз. При шлифовании графита точность имеет важное значение для достижения тонкой отделки поверхности и жестких допусков. Использование охлаждающих жидкостей необязательно из-за риска загрязнения.
Графит для бурения
Создание отверстий в графитовых заготовках возможно путем сверления с помощью сверл. Эти сверла могут быть с числовым программным управлением или ручными, первые обеспечивают более высокую точность. При сверлении графита необходимо закрепить заготовку, чтобы предотвратить ее перемещение во время сверления.
Существуют различные методы сверления, такие как спиральное сверление, сверление с высверливанием, центровое сверление и зенкерование. При сверлении вы учитываете такие аспекты, как глубина и размер отверстия. На них будут влиять сверло и скорость.
Благодаря замечательным свойствам графита, включая смазывающую способность, электропроводность и термостойкость, он находит множество применений в различных отраслях промышленности. Некоторые из этих применений описаны ниже:
Графит в атомной промышленности
Одним из основных применений графита в ядерной промышленности является его использование в некоторых реакторах в качестве замедлителя. В этой роли он замедляет движение нейтронов, что позволяет протекать устойчивым ядерным реакциям.
Корпуса топливных каналов в современных газоохлаждаемых реакторах изготавливаются из графита. Этот материал выдерживает высокие температуры и условия облучения, а также обеспечивает стабильность и механическую поддержку.
Кроме того, графит обеспечивает радиационную защиту, поскольку он может ослаблять эффекты радиации. Это свойство позволяет использовать его для изготовления средств индивидуальной защиты, а также для долгосрочного хранения ядерных отходов.
Графит в металлургии
Высокотемпературная стабильность и химическая инертность графита делают его использование в качестве огнеупорного материала в металлургии идеальным. Огнеупорный материал по существу устойчив к теплу или химическому разложению. Такой материал, напротив, сохраняет свои физические свойства и структуру.
Графит может использоваться для изготовления огнеупорных кирпичей сам по себе или в смеси с магнием. Такое использование широко распространено в непрерывном литье стали и распространяется на изготовление тиглей и форм, используемых для содержания расплавленных металлов.
В непрерывной разливке стали графит комбинируется с цирконием и глиноземом и цирконием для изготовления сопел, стопорных стержней и ковшей. Они помогают регулировать поток расплавленной стали, а также защищают от окисления.
Графитовые блоки также используются в производстве чугуна для футеровки доменных печей. Их высокая термостойкость и низкое тепловое расширение являются некоторыми факторами, поддерживающими их использование таким образом. Они также находят применение в металлургических печах в качестве электродов.
Графит в химической промышленности
Использование графита в химической промышленности обусловлено его химической инертностью и термической стабильностью, что делает его невосприимчивым даже к экзотермическим реакциям. Графит используется для изготовления коррозионно-стойкого оборудования, используемого для химических процессов, например, реакционных сосудов, используемых в лабораториях.
Трубопроводные системы на химических заводах используют графитовые трубы и фитинги для транспортировки едких жидкостей, таких как кислоты и щелочные растворы. Кроме того, графитовый материал находит применение в изготовлении химических уплотнений и прокладок для предотвращения утечек.
Электролиз рассола производит водород, хлор и гидроксид натрия с графитом, используемым для электродов. Другие электрохимические процессы, такие как гальванопокрытие, также используют графитовые электроды. Кроме того, в реакциях с использованием катализаторов графит может выступать в качестве материала-носителя.
Графит в электротехнической промышленности
Графит широко используется в электротехнической промышленности, как материал, обычно используемый в электродах аккумуляторов, например, литий-ионных аккумуляторах. Здесь графит используется в качестве анодного материала. Графит также способен проводить электроэнергию с низким удельным сопротивлением.
Его электрические свойства позволяют использовать его в электродвигателях и генераторах для изготовления щеток и контактов. Графитовые щетки обеспечивают токопроводящий путь между ротором и неподвижной частью, что гарантирует отсутствие прерывания электрического потока.
Кроме того, смазочные свойства графита имеют важное значение для снижения трения, тем самым предотвращая износ и обеспечивая гладкую электропроводность. Это подтверждается скользящими электрическими контактами, как это наблюдается в переменных резисторах, переключателях и потенциометрах.
Высокая термостойкость графита позволяет использовать его в управлении теплом электронных устройств, предотвращая перегрев. Использование графитового материала в качестве материала теплового интерфейса или радиатора помогает электронным компонентам рассеивать генерируемое тепло.
Термопары, используемые в высокотемпературных средах, используют графитовый материал в качестве защитного материала. Химическая инертность материала защищает термопару от едких газов, обеспечивая точность измерения температуры.
Благодаря смазочным свойствам графита, он используется как сухая смазка, где жидкие смазки не подходят. Например, графитовые подшипники могут работать без необходимости смазки. Графит также может использоваться для улучшения тепловых свойств композитных материалов, используемых в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Этот материал характеризует поршневые кольца и гильзы цилиндров высокопроизводительных двигателей благодаря снижению трения и превосходной износостойкости. Обрабатываемость графита и его температурная стабильность позволяют производить штампы и формы для литья металла.
Использование графита в автомобильной и аэрокосмической промышленности
В тормозных колодках и накладках для транспортных средств и самолетов используется графитовый материал, обладающий превосходными фрикционными свойствами, повышающими эффективность торможения. Его высокотемпературная стабильность и химическая стойкость позволяют использовать его в прокладках и уплотнениях автомобильных двигателей.
При разработке композитных материалов для деталей и компонентов самолетов, таких как фюзеляж, графит используется из-за его термических качеств и химической стойкости. Этот материал также используется в соплах ракет самолетов и камерах тяги из-за его термической стабильности и коррозионной стойкости.
