Графит — это материал, состоящий из атомов углерода, расположенных в плоских листах, напоминающих шестиугольные конструкции. В нормальных условиях это чистый углерод, который, как хорошо известно, весьма стабилен. Графит обладает высокой электро- и теплопроводностью, очень мягок и имеет низкий удельный вес.
Виды природного графита
Чешуйчатый графит
The углеродный материал подвергается высокому давлению и температуре, в результате чего получается натуральный чешуйчатый графит. Эти чешуйки часто представляют собой миниатюрные снежинки и очень легко складываются, скользя друг мимо друга, что делает чешуйчатый графит прекрасным средством для смазочных материалов. Он также может работать в батареях и топливных элементах благодаря своей высокой электропроводности.
Автомобильные компании являются крупнейшими потребителями этого вида натурального графита. За последние несколько лет наблюдался огромный рост спроса на чешуйчатый графит со стороны производителей электрических гибридов и топливных элементов.
Кристаллический жильный графит
Это как если бы у нас были чистые графитовые жилы в метаморфической породе. Примечательно, что это кристаллический жильный графит с высочайшей чистотой (до 99% углерода) и электропроводностью. Это как углеродный Супермен, сохраненный для высокотехнологичных приложений, таких как компоненты ядерного реактора и электроды с экстремальными характеристиками.
Кристаллический жильный графит — редкий и ценный минерал, добываемый в Китае и Канаде. Его также можно использовать аналогично чешуйчатому графиту из-за его превосходных характеристик в операциях, требующих высокой тепло- и электропроводности.
Аморфный графит
60-85% из аморфный графит содержит фиксированный углерод. Это наиболее распространенная форма графита, обычно обнаруживаемая в осадочных породах, таких как уголь и сланец.
Аморфный графит полезен для многих целей, но не во всех случаях.
Благодаря хорошей термостойкости этот минерал может использоваться в производстве, где его часто используют в качестве тигля, формы, ковша, желоба или сопла.
С другой стороны, существует множество электродов металлургических печей и футеровок доменных печей из аморфного графита. Китай, Мексика и Северная Корея в основном производят эту универсальную форму.
Натуральный графит против синтетического графита
Натуральный графит
Природный графит образуется в результате метаморфических процессов, в результате которых древняя органическая материя преобразуется в этот мягкий слоистый минерал.
Они появляются в различных формах, от крупночешуйчатого графита до чистого кристаллического. Согласно сравнительному анализу, проведенному ведущим специалистом LCA, анод из натурального графита содержит до 14 CO2 эквивалент.
Пластинчатый графит отлично подходит для смазок, огнеупорных футеровок и карандашей, а кристаллический проявляет свои способности в ядерных реакторах и высокопроизводительных электродах. Аморфный графит присутствует в угле и сланце, обеспечивая литейному производству свою термостойкость. Тем не менее, природный графит имеет свои особенности.
Добыча полезных ископаемых имеет экологические последствия, а геополитическая нестабильность может нарушить поставки. Кроме того, ее врожденные недостатки, хотя обычно незначительны, иногда создают проблемы для определенных видов использования.
Синтетический графит
Синтетический графит производится из нефтяного кокса или угля и подвергается нескольким обработкам под воздействием высоких температур и давления. В ходе энергоемкого процесса кокс снова нагревается до 2500-300°C. Тепло может поступать от механизмов сжигания угля или нефти. Выбросы CO₂ огромны из-за этих процессов.
Эта чистота означает лучшую электропроводность и термическую стабильность, что лучше всего подходит для литий-ионных аккумуляторов, солнечных элементов и т. д. Однако создание синтетического графита обходится дорого. Его энергоемкий процесс производства генерирует значительные выбросы углерода, что вызывает опасения по поводу его воздействия на окружающую среду. Кроме того, его высокая стоимость и зависимость от ископаемого топлива поднимают вопросы устойчивости.
Как появляется природный графит
Графит образуется в метаморфических породах из-за возникновения восстановления осадочных углеродных соединений во время изменения. Он также встречается в метеоритах и магматических породах. Ассоциированные с графитом минералы включают кварц, кальцит, слюды и турмалин.
Графит встречается вместе с троилитом и силикатными минералами в метеоритах. Клифтонит относится к небольшим графитовым кристаллам, обнаруженным в метеоритном железе. Некоторые небольшие зерна, по-видимому, изотопны, и их состав указывает на то, что они возникли до Солнечной системы. Они принадлежат к одному из примерно двенадцати известных типов минералов, которые существовали до Солнечной системы и также были обнаружены в молекулярных облаках.
Процесс производства синтетического графита
В процессе преобразования существует ряд шагов в симфонии, которая превращает что-то в сырье, синтетический графит (SG-BAM), для литиевая батарея Материалы анода. Каждый шаг важен, поскольку он помогает синтетическому графиту получить его уникальные характеристики и совместимость с устройствами хранения энергии. Теперь давайте рассмотрим сложный танец производства:
Производство экологически чистого нефтяного кокса.
Производство зеленого нефтяного кокса из тяжелых масел, используемых для каталитического крекинга или очистки бензина, станет первым шагом. Первый прекурсор углерода используется при синтезе графита.
Прокаливание
Во время прокалки зеленого нефтяного кокса происходит высокотемпературный процесс при температуре около 1300°C - 1400°. Когда этот тепловой выброс удаляет летучие материалы и загрязняющие вещества из кокса, получается игольчатый кокс. Этот более высокий уровень содержания углерода обеспечивает идеальный прототип для этой последующей фазы.
Графитизация
Затем игольчатый кокс подвергается воздействию температур более 2500°C в электрической печи для графитизация. Атомы углерода перестраиваются при перегреве, что превращает кокс в графит. Графитизация придает больше полезных свойств и повышает проводимость графитового вещества.
Постобработка
Другие методы постобработки могут использоваться после графитизации. Литий-ионные батареи также могут быть сформированы, классифицированы или покрыты, что обеспечивает большую эффективность упаковки и производительность. Другие применения могут иметь другие особые требования к постобработке.
Структура графита
Расположение углерода
Представьте себе соты, состоящие не из воска, а только из атомов углерода. Основной характеристикой графита является его атомная структура.
Каждый атом углерода прочно связан с тремя другими в слое; это создает чрезвычайно прочную сеть. Каждый углерод находится в середине шестистороннего круга и создает множество шестиугольных листов, которые продолжаются вечно.
Эта конфигурация известна как sp²-гибридизация и позволяет каждому атому углерода образовывать три очень сильные ковалентные связи с его ближайшими соседями. Один дополнительный электрон может перемещаться по всему листу.
Многие свойства графита во многом зависят от этих свободных электронов.
Склеивание
В отличие от алмаза, где каждый атом углерода имеет четыре прочные связи, удерживающие их вместе, создавая жесткую коробчатую форму, связи графита направлены в одну сторону.
Более слабые силы, удерживающие эти слои вместе, позволяют им скользить, как блины на сковородке.
Эта уникальная ссылка также раскрывает причину, по которой графит может проводить электричество. Свободные электроны могут легко проходить через листы, поэтому это хороший выбор для батарей и электродов.
Сравнение с другими аллотропами.
В отличие от твердости алмаза, графит имеет слои, которые могут легко изгибаться. Это демонстрирует вариации, которые углерод может иметь по форме или виду (аллотропы).
В то время как алмаз имеет тетраэдрическую структуру, в которой каждый конкурирующий атом углерода связан с четырьмя другими, гексагональная структура графита обуславливает его принципиально иные свойства.
При рассмотрении графита и фуллеренов тот факт, что фуллерен имеет округлую форму, определяет его слоистую структуру в графике.
Свойства графита
Физические свойства
Цвет и внешний вид
Графит представлен в различных цветах: от яркого металлического до темно-серого. Его особый вид делает его более привлекательным и легко заметным в различных приложениях.
Этот интересный цвет хорошо подходит для карандашей, так как он делает изображения и рисунки более глубокими и захватывающими.
Плотность и удельный вес
Графит относительно легкий, несмотря на свою прочность. Его многочисленные слои и открытые пространства позволяют ему держаться на плаву в воде. Когда вы прикасаетесь к нему, кажется, что он весит перышко. Идеально подходит для использования, где вес имеет решающее значение, например, для деталей самолетов и спортивного инвентаря, потому что он не тяжелый.
Температуры плавления и кипения
Хотя графит идеально подходит для теплопроводности, его температура плавления составляет около 3500°C. Такая высокая температура плавления идеально подходит для использования в горячих приложениях — в вещах, производимых на литейном заводе, и даже в частях ядерных реакторов. Он настолько горячий, что карандаш загорится, если положить его в вулкан.
Проводимость (электрическая и тепловая)
Электрические и теплопроводящие свойства графита тесно связаны. Движущиеся электроны в его слоях легко проводят тепло и электричество. Это делает его простым устройством для подзарядки батарей, подогрева вещей и даже создания сенсорных экранов. Подумайте о прокрутке на вашем телефоне; это плавное движение происходит из-за проводимости графита.
Смазочные свойства
Слои графита позволяют ему скользить между слоями, являясь превосходной смазкой. Он также используется в приложениях, где важны меньшее скольжение и более плавное движение. Это отличный материал для замков, колес и даже карандашей.
Химические свойства
Реакционная способность с кислородом
При температуре выше 700 градусов этот материал отслаивается слоями и превращается в углекислый газ. Это помогает поддерживать огонь и питать большие печи, которые плавят вещи. Эта особенность укрепляет материал и сохраняет его в разных местах, особенно вокруг воздуха.
Реакционная способность с кислородом
Графит, обычно спокойная часть химического мира, может вступать в конфликт с кислородом, когда все горячо. Этот материал отслаивается слоями и превращается в углекислый газ, когда температура превышает 700 градусов. Это воспламеняет топливо и питает большие печи, которые плавят вещи. Эта особенность укрепляет материал и сохраняет его в различных местах, в основном вокруг воздуха.
Устойчивость к кислотам и основаниям
Его прочные связи углерод-углерод и слоистая структура трудно разрушаются большинством кислот и оснований. Это делает его идеальным для таких применений, как облицовка химических реакторов и даже контейнеров, в которых могут храниться нагретые металлы. Этот элемент делает его более подходящим для использования во вредных местах, что помогло бы использовать широкий спектр вещей.
Окисление и коррозия
Графит сильно трансформируется, когда становится чрезвычайно горячим, но, как правило, при нормальных условиях это изменение происходит медленно и равномерно. Он постепенно корродирует или разрушается с течением времени. Со временем это создает тонкий слой углекислого газа на его поверхности, созданный кислородом вокруг него. Это медленный процесс износа; однако это не может изменить основные характеристики, которые делают его прочным и надежным материалом.
Механические свойства
Прочность и твердость
Графит очень прочный и твердый, поэтому при использовании он может прослужить долгое время. Он имеет несколько слоев в своей прочной структуре. Каждый атом углерода прикреплен к двум другим в листах, и вместе они остаются прочными под давлением.
Гибкость и эластичность
Алмаз действительно твердый и очень легко ломается, но уникальная структура графита позволяет ему изгибаться очень хорошо. Графит может легко растягиваться и изгибаться, что затрудняет его разрушение в любой ситуации. Между листами также существуют слабые силы, позволяющие им изгибаться и скручиваться без разрушения. Он подходит для прокладок, смазки и даже амортизаторов.
Анизотропная Природа
Графит — не обычный материал. Он обладает свойствами, которые меняются в зависимости от того, толкаете ли вы его или тянете в разных направлениях. Он твердый вдоль линий, но слабый и легко проскальзывает между ними. Эта «анизотропная» характеристика превосходна для целей, требующих подробных указаний в одном направлении, например, для компасов и электрических ластиков.
Тепловые свойства
Графит имеет высокую удельную теплоемкость, т. е. он может поглощать много тепла без существенного изменения своей температуры. Графит может выдерживать высокие температуры без существенной деградации, что делает его пригодным для использования в тепловых приложениях. Графит, в отличие от большинства материалов, немного увеличивается при охлаждении и уменьшается при нагревании.
Электрические свойства
Графит является электрическим проводником и, следовательно, хорош для таких целей, как электроды дуговых ламп. Он может переносить электричество из-за огромной делокализации электронов внутри слоев углерода (называемой ароматичностью). Это электроны со свободной валентностью, которые могут проводить электричество.
Другие свойства
- Графит способен захватывать высокоскоростные нейтроны.
- Графит имеет очень высокую температуру плавления, приближающуюся по определению к алмазу.
- В обычных условиях графит не реагирует с водой. Однако при правильной температуре он может реагировать, образуя смесь оксида углерода и водорода.
Применение графита
- Смазки и консистентные смазки
Графит может устранить трение благодаря своему гексагональному слою, который осаждается на поверхностях при реакции с влагой в воздухе. Самосмазывающиеся способности графита значительно снижают трение, что делает его идеальным для механических систем, а также двигателей и промышленного оборудования, предотвращая износ.
- Аккумуляторы
Графит очень стабилен и проводит электричество, что делает его лучшим для использования в батареях. Он также улучшает его способность хранить и высвобождать энергию, что делает его важной электронной частью батарей для многочисленных технологий батарей.
- Огнеупоры
Огнеупоры работают при высоких температурах, что делает графит лучшим для этого, поскольку он имеет чрезвычайно высокие температуры кипения и плавления. Он используется в производственном секторе и помогает производить стекло, сталь и железо.
- Электрические компоненты
Графит обладает исключительной электропроводностью, что делает его незаменимым в различных областях электронные компоненты. К ним относятся электроды и щетки, поскольку благодаря их использованию многие электронные приборы достигают надежных результатов и эффективной производительности в течение длительного времени.
- Ядерная промышленность
Одним из свойств графита является его способность улавливать высокоскоростные нейтроны, что делает его пригодным для стабилизации ядерных реакций. Графит выдерживает высокие температуры и работает как замедлитель нейтронов, что имеет большое значение для ядерных реакторов.
- Графеновые листы
Графит используется для производства графена, который легче и прочнее стальных листов. В свою очередь, эти листы могут быть использованы для изготовления спортивного инвентаря.
Для получения дополнительной информации о применении графита, пожалуйста, проверьте здесь.
Заключение
На основании вышеизложенного мы видим, что графит является одним из наиболее часто используемых материалов на нашей планете и со временем он будет нам еще больше нужен.
Часто задаваемые вопросы
- Что делать, если я хочу узнать стоимость графита?
На цены на графит влияют различные факторы, не только спрос и предложение на рынке, но и различные типы графита. Цена мелкочешуйчатого графита составляет $1000-$2000/т, а цена высококачественного природного графита составляет $3000-$6000/т, если вы хотите узнать больше о ценовой ситуации, свяжитесь напрямую с Eastcarb, и мы предоставим вам подробную таблицу котировок.
- Как хранить графит, чтобы сохранить его свойства?
Хотя графит по своей природе стабилен, вы всегда должны обращать внимание на хранение графита. Первое, что нужно сделать, это контролировать температуру и влажность, поместить в сухое место и избегать высоких температур и резких перепадов температур. Затем также необходимо проветривать помещение для хранения, чтобы предотвратить скопление влаги. Наконец, различные виды графита следует хранить изолированно, чтобы избежать ухудшения. В принципе, следуя приведенным выше рекомендациям, качество графита можно хорошо сохранить.
- Каковы новейшие развивающиеся рынки графита?
Появление новых рынков создает больше возможностей для поставщиков графита и их отраслей, занимающихся добычей и переработкой графита. К числу новых развивающихся рынков относятся Мозамбик, Танзания, Австралия, Пакистан, Египет и многие страны Западной Африки.
- На что следует обратить внимание при обработке графита？
В некоторых случаях графитовая пыль может нанести вред вашему здоровью, поэтому необходимо принять меры предосторожности, чтобы избежать вдыхания пыли во время производственных процессов.
- Как повысить производительность графита？
Обычно мы можем заняться обработкой его поверхности, чтобы повысить его сопротивление, коррозионную стойкость и электропроводность. Конкретные методы включают распыление материалов покрытия, химическую обработку (кислотную или щелочную очистку), термическую обработку, механическую обработку, пропитку и т. д.
