Than chì là một vật liệu bao gồm các nguyên tử cacbon được sắp xếp thành các tấm phẳng trông giống như các thiết kế hình lục giác. Trong điều kiện bình thường, đây là cacbon nguyên chất, được biết đến là khá ổn định. Than chì có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao, rất mềm với trọng lượng riêng thấp.
Các loại than chì tự nhiên
Than chì vảy
Các vật liệu cacbon chịu áp suất và nhiệt độ cao, do đó tạo ra than chì dạng vảy tự nhiên. Những vảy này thường là những bông tuyết thu nhỏ và xếp chồng lên nhau rất dễ dàng khi chúng trượt qua nhau, làm cho than chì dạng vảy trở nên tuyệt vời để làm chất bôi trơn. Nó cũng có thể hoạt động trong pin và pin nhiên liệu do có độ dẫn điện cao.
Các công ty ô tô là những người tiêu thụ lớn nhất loại than chì tự nhiên này. Trong vài năm qua, nhu cầu về than chì dạng vảy từ các nhà sản xuất xe điện hybrid và pin nhiên liệu đã tăng mạnh.
Graphite mạch tinh thể
Giống như chúng ta có các mạch than chì tinh khiết trong đá biến chất. Điều đáng chú ý là đây là mạch than chì tinh thể có độ tinh khiết cao nhất (lên đến 99% carbon) và độ dẫn điện. Nó giống như một Siêu nhân carbon được dành riêng cho các ứng dụng cao cấp như các thành phần trong lò phản ứng hạt nhân và các điện cực hiệu suất cực cao.
Than chì dạng tinh thể là một loại khoáng chất không phổ biến và có giá trị được tìm thấy ở Trung Quốc và Canada. Nó cũng có thể được sử dụng tương tự như than chì dạng vảy vì có hiệu suất vượt trội trong các hoạt động cần độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao.
Than chì vô định hình
60-85% của than chì vô định hình chứa cacbon cố định. Đây là dạng than chì phổ biến nhất, thường được tìm thấy trong các loại đá trầm tích như than đá và đá phiến sét.
Than chì vô định hình có thể sử dụng cho nhiều mục đích nhưng không phải trong mọi trường hợp.
Do khoáng chất này có khả năng chịu nhiệt tốt nên nó có thể được sử dụng trong sản xuất, thường được dùng làm nồi nấu, khuôn, muôi, máng hoặc vòi phun.
Mặt khác, có nhiều điện cực lò luyện kim và lớp lót lò cao bằng sắt được làm bằng than chì vô định hình. Trung Quốc, Mexico và Bắc Triều Tiên chủ yếu sản xuất dạng đa năng này.
Than chì tự nhiên so với than chì tổng hợp
Than chì tự nhiên
Than chì tự nhiên có nguồn gốc từ quá trình biến chất chuyển đổi vật chất hữu cơ cổ đại thành loại khoáng chất mềm, nhiều lớp này.
Chúng xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau, từ than chì vảy lớn đến tinh thể tinh khiết dạng vân. Theo bài tập đánh giá chuẩn từ một chuyên gia LCA hàng đầu, một cực dương làm bằng than chì tự nhiên có thể lên tới 14 CO2 tương đương.
Than chì vảy rất tuyệt vời trong chất bôi trơn, lớp lót chịu lửa và bút chì, trong khi than chì tinh thể phát huy sức mạnh của mình trong lò phản ứng hạt nhân và điện cực hiệu suất cao. Than chì vô định hình có trong than đá và đá phiến sét, mang lại khả năng chịu nhiệt cho xưởng đúc. Tuy nhiên, than chì tự nhiên có những đặc điểm riêng.
Khai thác mỏ có hậu quả về môi trường và bất ổn địa chính trị có thể làm gián đoạn nguồn cung. Hơn nữa, những khiếm khuyết bẩm sinh của nó, mặc dù thường không đáng kể, đôi khi lại gây rắc rối cho những mục đích sử dụng cụ thể.
Graphite tổng hợp
Than chì tổng hợp được làm từ than cốc dầu mỏ hoặc than đá và trải qua nhiều quá trình xử lý ở nhiệt độ và áp suất cao. Thông qua một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng, than cốc lại được nung nóng đến 2500-300°C. Nhiệt có thể đến từ cơ chế đốt than hoặc dầu. Lượng khí thải CO₂ rất lớn do những quá trình này.
Độ tinh khiết này có nghĩa là độ dẫn điện và độ ổn định nhiệt tốt hơn, phù hợp nhất với pin lithium-ion, pin mặt trời, v.v. Tuy nhiên, việc tạo ra than chì tổng hợp phải trả giá. Quy trình sản xuất tốn nhiều năng lượng của nó tạo ra lượng khí thải carbon đáng kể, làm dấy lên mối lo ngại về dấu chân môi trường của nó. Ngoài ra, chi phí cao và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch của nó làm dấy lên những câu hỏi về tính bền vững.
Than chì tự nhiên xuất hiện như thế nào
Than chì được hình thành trong đá biến chất do sự khử các hợp chất cacbon trầm tích trong quá trình biến đổi. Than chì cũng được tìm thấy trong thiên thạch và đá mácma. Các khoáng chất liên quan đến than chì bao gồm thạch anh, canxit, mica và tourmaline.
Than chì được tìm thấy cùng với khoáng chất troilite và silicat trong thiên thạch. Cliftonite đề cập đến các tinh thể than chì nhỏ được tìm thấy trong sắt thiên thạch. Một số hạt nhỏ dường như là đồng vị, và thành phần của chúng chỉ ra rằng chúng có nguồn gốc trước Hệ Mặt trời. Chúng thuộc về một trong khoảng mười hai loại khoáng chất đã biết có trước Hệ Mặt trời và cũng được tìm thấy trong các đám mây phân tử.
Quy trình sản xuất than chì tổng hợp
Với quá trình chuyển đổi, có một loạt các bước trong bản giao hưởng tạo ra một thứ gì đó thô, than chì tổng hợp (SG-BAM), để pin lithium vật liệu anode. Mỗi bước đều quan trọng, vì nó hỗ trợ graphite tổng hợp có được các đặc tính độc đáo và khả năng tương thích với các thiết bị lưu trữ năng lượng. Bây giờ, chúng ta hãy khám phá điệu nhảy phức tạp của quá trình sản xuất:
Sản xuất than cốc dầu mỏ xanh.
Việc sản xuất cốc dầu mỏ xanh từ dầu nặng dùng cho quá trình cracking xúc tác hoặc tinh chế xăng sẽ là bước đầu tiên. Tiền chất cacbon đầu tiên được sử dụng trong quá trình tổng hợp than chì.
nung
Trong quá trình nung cốc dầu mỏ xanh, một quá trình nhiệt độ cao diễn ra ở khoảng 1300°C đến 1400°. Khi sự chuyển động nhiệt này loại bỏ các vật liệu dễ bay hơi và chất gây ô nhiễm khỏi cốc, cốc kim được tạo ra. Mức hàm lượng carbon cao hơn này cung cấp nguyên mẫu hoàn hảo cho giai đoạn tiếp theo.
Sự than chì hóa
Sau đó, cốc kim được nung ở nhiệt độ cao hơn 2500°C trong lò điện trong than hóa. Các nguyên tử carbon sắp xếp lại trong quá trình quá nhiệt, biến than cốc thành than chì. Quá trình than hóa mang lại nhiều tính năng có lợi hơn và tăng cường khả năng dẫn điện của chất than chì.
Hậu xử lý
Các kỹ thuật xử lý sau khác có thể được sử dụng sau khi than hóa. Pin Li-ion cũng có thể định hình, phân loại hoặc phủ để mang lại hiệu quả và hiệu suất đóng gói tuyệt vời. Các mục đích sử dụng khác có thể có các yêu cầu xử lý sau cụ thể khác nhau.
Cấu trúc than chì
Sự sắp xếp cacbon
Hãy tưởng tượng một tổ ong không bao gồm sáp mà chỉ gồm các nguyên tử cacbon. Đặc điểm cơ bản của than chì là cấu trúc nguyên tử của nó.
Mỗi nguyên tử cacbon liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử khác trong một lớp; điều này tạo ra một mạng lưới cực kỳ mạnh mẽ. Mỗi nguyên tử cacbon nằm ở giữa một vòng tròn sáu cạnh và tạo ra nhiều tấm lục giác kéo dài mãi mãi.
Cấu hình này được gọi là lai hóa sp² và cho phép mỗi nguyên tử cacbon tạo thành ba liên kết cộng hóa trị rất mạnh với các nguyên tử lân cận gần nó. Một electron thừa có thể đi lang thang khắp toàn bộ tấm.
Nhiều đặc điểm riêng biệt của than chì phụ thuộc rất nhiều vào các electron tự do này.
Liên kết
Không giống như kim cương, trong đó mỗi nguyên tử carbon có bốn liên kết mạnh giữ chúng lại với nhau để tạo thành hình hộp cứng, các kết nối của than chì chỉ hướng theo một hướng.
Các lực yếu hơn giữ các lớp này lại với nhau khiến chúng trượt qua như bánh kếp trên chảo rán.
Liên kết độc đáo này cũng tiết lộ lý do tại sao than chì có thể dẫn điện. Các electron tự do có thể dễ dàng chảy qua các tấm, vì vậy đây là lựa chọn tốt cho pin và điện cực.
So sánh với các dạng thù hình khác.
Ngược lại với độ cứng của kim cương, than chì có các lớp có thể dễ dàng uốn cong. Điều này chứng minh sự thay đổi mà carbon có thể có về hình dạng hoặc dạng (allotrope).
Trong khi kim cương được sắp xếp theo dạng tứ diện, trong đó mỗi nguyên tử carbon cạnh tranh liên kết với bốn nguyên tử khác, cấu trúc lục giác của than chì khiến nó có những tính chất cơ bản khác biệt.
Khi xem xét than chì và fullerene, thực tế là fullerene có hình dạng tròn tạo nên cấu trúc lớp của nó trong đồ họa.
Tính chất của than chì
Tính chất vật lý
Màu sắc và hình thức
Than chì xuất hiện với nhiều màu sắc khác nhau, từ màu sáng như kim loại đến màu xám đen. Vẻ ngoài đặc biệt của nó làm cho nó hấp dẫn hơn và dễ nhìn thấy trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Màu sắc thú vị này là lựa chọn tốt cho bút chì vì nó làm cho hình ảnh và bản vẽ trông sâu hơn và hấp dẫn hơn.
Mật độ và Trọng lượng riêng
Graphite tương đối nhẹ mặc dù rất chắc. Nhiều lớp và không gian mở giúp nó nổi trên mặt nước. Nó cũng có vẻ nhẹ như lông vũ khi bạn chạm vào. Hoàn hảo cho những mục đích sử dụng mà trọng lượng là quan trọng, chẳng hạn như các bộ phận máy bay và đồ dùng thể thao, vì nó không nặng.
Điểm nóng chảy và điểm sôi
Mặc dù than chì hoàn hảo cho dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy của nó dao động từ khoảng 3500°C. Nhiệt độ nóng chảy cao này lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng nóng – những thứ được sản xuất tại xưởng đúc và thậm chí là các bộ phận của lò phản ứng hạt nhân. Nó nóng đến mức một cây bút chì sẽ bốc cháy nếu bạn đặt nó vào núi lửa.
Độ dẫn điện (Điện và Nhiệt)
Tính chất dẫn điện và dẫn nhiệt của than chì có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Các electron chuyển động trong các lớp của nó dễ dàng truyền nhiệt và điện. Điều này khiến nó trở thành một thiết bị dễ dàng để sạc pin, làm ấm đồ vật và thậm chí là màn hình cảm ứng. Hãy nghĩ đến việc cuộn trên điện thoại của bạn; chuyển động mượt mà đó đến từ tính dẫn điện của than chì.
Tính chất bôi trơn
Các lớp than chì cho phép nó trượt giữa các lớp, là một chất bôi trơn tuyệt vời. Nó cũng được sử dụng trong các ứng dụng mà ít trượt và chuyển động mượt mà hơn là quan trọng. Đây là một vật liệu tuyệt vời cho ổ khóa, bánh xe và thậm chí cả bút chì.
Tính chất hóa học
Phản ứng với Oxy
Khi nóng hơn 700 độ, vật liệu này bong ra từng lớp và biến thành carbon dioxide. Điều này giúp cung cấp nhiên liệu cho lửa và cung cấp năng lượng cho các lò nung lớn làm tan chảy mọi thứ. Tính năng này làm cho vật liệu bền hơn và tồn tại ở nhiều nơi khác nhau, đặc biệt là xung quanh không khí.
Phản ứng với Oxy
Than chì, một phần thường bình tĩnh của thế giới hóa học, có thể gặp rắc rối với oxy khi mọi thứ nóng. Vật liệu này bong ra theo từng lớp và chuyển thành carbon dioxide khi nóng hơn 700 độ. Điều này đốt cháy nhiên liệu và cung cấp năng lượng cho các lò nung lớn làm tan chảy mọi thứ. Tính năng này làm cho vật liệu bền hơn và tồn tại ở nhiều vị trí khác nhau, chủ yếu là xung quanh không khí.
Khả năng chống axit và bazơ
Các liên kết carbon-carbon mạnh mẽ và sự sắp xếp theo lớp của nó khó bị phá vỡ bởi hầu hết các axit và bazơ. Điều này làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng như lớp lót trong lò phản ứng hóa học và thậm chí cả các thùng chứa có thể chứa kim loại nóng. Yếu tố này làm cho nó phù hợp hơn ở những nơi nguy hiểm có thể giúp sử dụng nhiều thứ.
Sự oxy hóa và ăn mòn
Than chì biến đổi rất nhiều khi nó trở nên cực kỳ nóng, nhưng nhìn chung, trong điều kiện bình thường, sự thay đổi này diễn ra chậm và đều đặn. Nó dần dần bị ăn mòn hoặc xói mòn theo thời gian. Theo thời gian, điều này tạo ra một lớp carbon dioxide mỏng trên bề mặt của nó được tạo ra bởi oxy xung quanh nó. Đây là một quá trình mài mòn chậm; tuy nhiên, điều này không thể thay đổi các tính năng chính khiến nó trở thành một vật liệu mạnh mẽ và đáng tin cậy.
Tính chất cơ học
Sức mạnh và độ cứng
Than chì rất bền và cứng, vì vậy khi sử dụng, nó có thể tồn tại trong thời gian dài. Nó có nhiều lớp trong cấu trúc bền của nó. Mỗi nguyên tử carbon được gắn với hai nguyên tử khác trong các tấm và cùng nhau, chúng vẫn bền dưới áp suất.
Tính linh hoạt và độ đàn hồi
Kim cương thực sự cứng và rất dễ vỡ, nhưng cấu trúc độc đáo của than chì cho phép nó uốn cong đáng kể. Than chì có thể dễ dàng kéo dài và uốn cong, khiến nó khó bị vỡ trong bất kỳ tình huống nào. Ngoài ra còn có lực yếu giữa các tấm, cho phép chúng uốn cong và xoắn mà không bị vỡ. Nó phù hợp cho miếng đệm, mỡ và thậm chí cả bộ đệm chống sốc.
Bản chất dị hướng
Than chì không phải là vật liệu thông thường. Nó có các đặc tính thay đổi tùy thuộc vào việc bạn đang đẩy hay kéo theo nhiều hướng khác nhau. Nó rắn chắc theo các đường thẳng nhưng yếu và dễ trượt giữa chúng. Đặc tính "Anisotropic" này rất tuyệt vời cho các mục đích đòi hỏi chỉ dẫn chi tiết theo bất kỳ hướng nào, chẳng hạn như la bàn và cục tẩy điện.
Tính chất nhiệt
Than chì có nhiệt dung riêng cao, tức là nó có thể hấp thụ nhiều nhiệt mà không làm thay đổi đáng kể nhiệt độ của nó. Than chì có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị phân hủy đáng kể, do đó nó phù hợp cho các ứng dụng nhiệt. Than chì, trái ngược với hầu hết các vật liệu, nở ra một chút khi làm mát và co lại khi gia nhiệt.
Tính chất điện
Than chì là chất dẫn điện và do đó, tốt cho các mục đích như điện cực đèn hồ quang. Nó có thể dẫn điện do sự dịch chuyển electron lớn bên trong các lớp carbon (gọi là thơm). Đây là các electron hóa trị tự do có thể dẫn điện.
Các Thuộc Tính Khác
- Than chì có thể bắt được các neutron tốc độ cao.
- Than chì có nhiệt độ nóng chảy rất cao, gần bằng định nghĩa của kim cương.
- Trong điều kiện bình thường, than chì không phản ứng với nước. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thích hợp, nó có thể phản ứng để tạo ra hỗn hợp khí cacbon monoxit và khí hydro.
Ứng dụng của Graphite
- Chất bôi trơn và mỡ
Than chì có thể loại bỏ ma sát do lớp lục giác của nó lắng đọng trên bề mặt khi phản ứng với độ ẩm trong không khí. Khả năng tự bôi trơn của than chì làm giảm đáng kể ma sát, khiến nó trở nên lý tưởng cho các hệ thống cơ khí cũng như động cơ và máy móc công nghiệp bằng cách ngăn ngừa mài mòn.
- Pin
Than chì có độ ổn định cao và dẫn điện, do đó nó thích hợp nhất để sử dụng trong pin. Nó cũng tăng cường khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng, do đó trở thành một phần quan trọng của pin đối với nhiều công nghệ pin.
- Vật liệu chịu lửa
Vật liệu chịu lửa hoạt động ở nhiệt độ cao khiến than chì trở thành lựa chọn tốt nhất cho mục đích này vì nó có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cực cao. Nó được sử dụng trong lĩnh vực sản xuất và giúp sản xuất thủy tinh, thép và sắt.
- Linh kiện điện
Than chì có độ dẫn điện đặc biệt, làm cho nó trở nên cần thiết trong nhiều linh kiện điện tử. Chúng bao gồm điện cực và chổi than vì thông qua việc sử dụng chúng, nhiều thiết bị điện tử đạt được kết quả đáng tin cậy và năng suất hiệu quả trong thời gian dài.
- Ngành công nghiệp hạt nhân
Một đặc tính của than chì là khả năng bắt các neutron tốc độ cao, khiến nó phù hợp để ổn định các phản ứng hạt nhân. Than chì có thể chịu được nhiệt độ cao và hoạt động như một chất làm chậm neutron, có tầm quan trọng lớn đối với lò phản ứng hạt nhân.
- Tấm Graphene
Than chì được sử dụng để tạo ra graphene nhẹ hơn và bền hơn so với các tấm thép. Đổi lại, những tấm này có thể được sử dụng để chế tạo thiết bị thể thao.
Để biết thêm về các ứng dụng của than chì, vui lòng kiểm tra ở đây.
Phần kết luận
Dựa trên các thảo luận ở trên, chúng ta có thể thấy rằng than chì là một trong những vật dụng được sử dụng thường xuyên nhất trên hành tinh của chúng ta và sẽ tiếp tục được sử dụng để hỗ trợ chúng ta theo thời gian.
Câu hỏi thường gặp
- Tôi phải làm sao nếu muốn biết giá của than chì?
Giá than chì bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, không chỉ bởi cung cầu thị trường mà còn bởi các loại than chì khác nhau. Giá than chì vảy nhỏ là $1000-$2000/t, giá than chì tự nhiên cao cấp là $3000-$6000/t, nếu bạn muốn biết thêm về tình hình giá cả, hãy liên hệ trực tiếp với Eastcarb, chúng tôi sẽ cung cấp cho bạn bảng báo giá chi tiết.
- Bảo quản than chì như thế nào để giữ được tính chất của nó?
Mặc dù than chì có tính ổn định trong tự nhiên, bạn vẫn nên luôn chú ý đến việc bảo quản than chì. Đầu tiên là kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, để ở nơi khô ráo, tránh nhiệt độ cao và thay đổi nhiệt độ đột ngột. Sau đó, cũng cần phải giữ cho phòng bảo quản được thông thoáng để tránh hơi ẩm tích tụ. Cuối cùng, các loại than chì khác nhau nên được bảo quản riêng biệt để tránh bị hư hỏng. Về cơ bản, làm theo các gợi ý trên, chất lượng than chì có thể được duy trì tốt.
- Những thị trường mới nổi gần đây nhất của than chì là gì?
Sự xuất hiện của các thị trường mới đang tạo ra nhiều cơ hội hơn cho các nhà cung cấp than chì và các ngành công nghiệp thượng nguồn và hạ nguồn của họ, với các thị trường mới nổi gần đây bao gồm Mozambique, Tanzania, Úc, Pakistan, Ai Cập và nhiều nước Tây Phi.
- Tôi cần chú ý điều gì khi xử lý than chì?
Trong một số trường hợp, bụi than chì có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của bạn, vì vậy bạn cần phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa để tránh hít phải bụi trong quá trình sản xuất công nghiệp.
- Làm thế nào để tăng hiệu suất của than chì?
Thông thường, chúng ta có thể xử lý bề mặt để tăng khả năng chống chịu, chống ăn mòn và dẫn điện. Các phương pháp cụ thể bao gồm vật liệu phủ phun, xử lý hóa học (làm sạch bằng axit hoặc kiềm), xử lý nhiệt, gia công, xử lý tẩm, v.v.
