Графит представляет собой кристаллический аллотроп углерода, полуметалл, природный минерал и форму угля. Графит является наиболее стабильной формой углерода при стандартных условиях. Поэтому он используется в термохимии в качестве стандартного состояния для определения теплоты образования углеродных соединений.
Кристаллическая аллотропная форма углерода, используемая в основном в качестве материала для рисования, в виде карандаша. Это рассыпчатое вещество, состоящее из плоских, шелушащихся зерен, которые переносятся на поверхность подложки (обычно бумаги), когда художник рисует и придает тонкий блеск штрихам. Синтетический графит, который был выпущен коммерчески с 1897 года, получен из карборунда. Графит был впервые раскопан в Баварии в начале 13 века, но его потенциал как среды художников оставался неиспользованным до открытия в середине XVI века чистого графита в Borrowdale в Камбрии, Англия. Шахта Borrowdale была полностью эксплуатирована к 1580-м годам, когда из шахты был взят нативный графит, распиленный в листы, а затем в тонкие квадратные стержни, образующие «свинец», а затем заключенный в древесину с образованием карандаша. Графит, по-видимому, использовался сначала для underdrawing в 16-ом столетии, вытесняя стилус leadpoint, из которого, вероятно, был получен термин «свинцовый» карандаш.
Графит образует непрозрачные, от серого до черного кристаллы в гексагональной, табличной, чешуйчатой или преследуемой форме с металлическим блеском на поверхности кристалла. Массивные или гранулированные агрегаты, однако, скучны.
При карбонизации углеродистых материалов образуются графитируемые угли. Исходными материалами являются, например, лигнит, каменный уголь, нефть и смола, а также пластмассы. При графитизации проводят нагревание при исключении воздуха до примерно 3000 ° С, превращение из аморфного углерода в поликристаллический графит.
Основными типами природного графита, которые встречаются в разных типах рудных месторождений, являются:
Кристаллические мелкие хлопья графита (или чешуйчатого графита) встречаются как изолированные, плоские, пластинчатые частицы с гексагональными краями, если они не разрываются. При разрушении края могут быть нерегулярными или угловыми;
Аморфный графит: очень мелкий чешуйчатый графит иногда называют аморфным;
Кусковой графит (или жильный графит) встречается в трещинных венах или переломах и выступает в виде массивных пластинчатых срастаний волокнистых или игольчатых кристаллических агрегатов и, вероятно, является гидротермальным по происхождению.
Высокоупорядоченный пиролитический графит относится к графиту с угловым разбросом между графитовыми листами менее 1 °.
Название «графитовое волокно» иногда используется для обозначения углеродных волокон или армированного углеродным волокном полимера.
Использование графита в доисторические времена может оглянуться на давнюю традицию в Европе. Первые указания на использование известны из мезолита северной Италии. Сырые графитовые кусочки использовались в качестве красителей и давались мертвым в могилах. Для неолита в Богемии есть многочисленные документы из графитовой глины и графитированной керамики. В Баварии культура Страубингера особенно заметна в раннем бронзовом веке из-за интенсивного использования графита.
В поздний железный век в Центральной Европе (период Latène) графит часто использовался, чтобы сделать сосуды, особенно горшки, огнеупорными. За это время была широкомасштабная торговля, которая охватывала все распространение латинской культуры. Особенно важны месторождения в Пассау и Крумау. После краха кельтской культуры в Центральной Европе в ходе римского завоевания и германской экспансии, это занимает около 800 лет до раннего средневековья, пока в славянской Восточной Центральной Европе в более крупном масштабе графит был использован снова. Удивительно, что графит не играл роли письменного материала в Азии (особенно Китай, который уже был написан в раннем возрасте).
Свойства:
Состав:
Графит имеет слоистую плоскую структуру. Отдельные слои называются графенами. В каждом слое атомы углерода расположены в сотовой решетке с разделением 0,142 нм, а расстояние между плоскостями составляет 0,355 нм. Атомы в плоскости связаны ковалентно, причем удовлетворены только три из четырех потенциальных участков склеивания. Четвертый электрон свободно мигрирует в плоскости, делая графит электропроводящим. Однако он не ведет в направлении, перпендикулярном плоскости. Связывание между слоями происходит через слабые ван-дер-ваальсовые связи, что позволяет легко отделять слои графита или скользить друг мимо друга.
Две известные формы графита, альфа (гексагональные) и бета (ромбоэдрические) имеют очень схожие физические свойства, за исключением того, что графеновые слои стекают несколько иначе. Альфа-графит может быть либо плоским, либо пряжкой. Альфа-форму можно превратить в бета-форму посредством механической обработки, и бета-форма возвращается в альфа-форму, когда она нагревается выше 1300 ° С.
Акустические и тепловые свойства графита сильно анизотропны, так как фононы быстро распространяются вдоль плотно связанных плоскостей, но медленнее перемещаются из одной плоскости в другую. Высокая термостабильность графита и электрическая и теплопроводность облегчают его широкое использование в качестве электродов и огнеупоров в высокотемпературных технологиях обработки материалов. Однако в кислородсодержащих атмосферах графит легко окисляется с образованием СО2 при температурах 700 ° С и выше.
Графит — это электрический проводник, следовательно, полезный в таких применениях, как дуговые электроды. Он может проводить электричество из-за обширной электронной делокализации в углеродных слоях (явление, называемое ароматичностью). Эти валентные электроны свободны в движении, поэтому способны проводить электричество. Однако электричество в основном проводится в плоскости слоев. Проводящие свойства порошкообразного графита позволяют использовать его в качестве датчика давления в углеродных микрофонах.
Графит и графитовый порошок оцениваются в промышленных применениях для их самосмазывающихся и сухих смазочных свойств. Существует общее мнение, что смазочные свойства графита обусловлены только непроницаемой межламеллярной связью между листами в структуре. Однако было показано, что в вакуумной среде (например, в технологиях для использования в космосе) графит деградирует в качестве смазки из-за гипоксических условий. Это наблюдение привело к гипотезе о том, что смазка обусловлена наличием жидкостей между слоями, такими как воздух и вода, которые естественным образом адсорбируются из окружающей среды. Эта гипотеза была опровергнута исследованиями, показывающими, что воздух и вода не поглощаются. Недавние исследования показывают, что эффект, называемый сверхсладкостью, может также объяснять смазывающие свойства графита. Использование графита ограничено его склонностью к точечной коррозии в некоторой нержавеющей стали и для содействия гальванической коррозии между разнородными металлами (из-за его электропроводности). Он также агрессивен к алюминию в присутствии влаги. По этой причине ВВС США запретили использовать его в качестве смазочного материала в алюминиевых самолетах и не поощряли его использование в алюминиевом автоматическом оружии. Даже графитовые карандашные метки на алюминиевых деталях могут способствовать коррозии. Другая высокотемпературная смазка, гексагональный нитрид бора, имеет такую же молекулярную структуру, как и графит. Его иногда называют белым графитом, благодаря его сходным свойствам.
Когда большое количество кристаллографических дефектов связывает эти плоскости вместе, графит теряет свои смазывающие свойства и становится так называемым пиролитическим графитом. Он также очень анизотропный и диамагнитный, поэтому он будет плавать в воздухе над сильным магнитом. Если он производится в псевдоожиженном слое при 1000-1300 ° С, то он является изотропным турбостатическим и используется в устройствах для контактирования с кровью, таких как механические клапаны сердца, и называется пиролитическим углеродом и не является диамагнитным. Пиролитический графит и пиролитический углерод часто путают, но представляют собой очень разные материалы.
Природные и кристаллические графиты не часто используются в чистом виде в качестве конструкционных материалов из-за их плоскостей сдвига, хрупкости и непоследовательных механических свойств.
Заявка:
Естественный графит в основном потребляется для огнеупоров, батарей, сталеплавильного производства, вспененного графита, тормозных накладок, литейных покрытий и смазочных материалов. Графен, который естественным образом встречается в графите, обладает уникальными физическими свойствами и является одним из самых известных веществ. Однако процесс отделения его от графита потребует большего технологического развития.
Огнеупоры:
Использование графита в качестве огнеупорного материала началось до 1900 с графитовым тиглем, используемым для хранения расплавленного металла; это теперь незначительная часть огнеупоров. В середине 1980-х годов стал известен карбон-магнезитовый кирпич, а чуть позже — графит из оксида алюминия. По состоянию на 2017 год порядок важности: глинозем-графитовые формы, углерод-магнезитовый кирпич, монолиты (огневые и набивные смеси), а затем тигли.
Тигли начали использовать очень крупный чешуйчатый графит, а углеродисто-магнезитовый кирпич требовал не столь большого хлопьевидного графита; для этих и других сейчас значительно больше гибкости в размерах требуемой чешуи, а аморфный графит больше не ограничивается низкими огнеупорами. Олово-графитовые формы используются в качестве изделий непрерывной разливки, таких как насадки и впадины, для подачи расплавленной стали из ковша в пресс-форму и углеродистых магнезитовых кирпичей линейных стальных преобразователей и электродуговых печей, чтобы выдерживать экстремальные температуры. Графитовые блоки также используются в некоторых частях облицовки доменных печей, где высокая теплопроводность графита имеет решающее значение. Монолиты высокой чистоты часто используются в качестве сплошной футеровки печи вместо углерод-магнезитового кирпича.
В 2000-2003 гг. В США и Европе индустрия огнеупоров испытывала кризис с безразличным рынком для стали и снижением потребления огнеупоров на тонну стали, лежащей в основе выкупа акций и многих закрытий предприятий. Многие из заводов завода были связаны с приобретением Harbison-Walker Refractories компанией RHI AG, и некоторые заводы продали свое оборудование. Поскольку большая часть потерянной мощности была для углерод-магнезитового кирпича, потребление графита в области огнеупоров переместилось в глинозем-графитовые формы и монолиты и вдали от кирпича. Основным источником углерод-магнезитового кирпича является теперь импорт из Китая. Почти все вышеупомянутые огнеупоры используются для производства стали и составляют 75% огнеупоров; остальное используется различными отраслями промышленности, такими как цемент.
Согласно USGS, потребление природного графита в США в огнеупорах составило 12 500 тонн в 2010 году.
Батареи:
Использование графита в батареях увеличивалось за последние 30 лет. Природный и синтетический графит используются для создания анода всех основных технологий батареи. Литий-ионный аккумулятор использует примерно вдвое больше графита, чем карбонат лития.
Спрос на батареи, в первую очередь никель-металл-гидридные и литий-ионные батареи, вызвал рост спроса на графит в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Этот рост был обусловлен портативной электроникой, такой как портативные проигрыватели компакт-дисков и электроинструменты. Ноутбуки, мобильные телефоны, планшеты и продукты для смартфонов увеличили спрос на батареи. Ожидается, что батареи электрических транспортных средств увеличат спрос на графит. Например, литий-ионный аккумулятор в полностью электрическом листе Nissan Leaf содержит около 40 кг графита.
сталеплавильный:
Природный графит в этом конце используется в основном для повышения углеродов в расплавленной стали, хотя его можно использовать для смазки штампов, используемых для выдавливания горячей стали. Поставка углеродных рейдеров очень конкурентоспособна, поэтому они подвержены резким ценам из альтернатив, таких как синтетический графитовый порошок, нефтяной кокс и другие виды углерода. Для повышения содержания углерода в стали до заданного уровня добавляется углерод-рейзер. Оценка, основанная на статистике потребления графита USGS US, показывает, что в 2005 году таким образом использовалось 10 500 тонн.
Тормозные накладки:
Природный аморфный и мелкозернистый графит используются в тормозных накладках или тормозных колодках для более тяжелых (неавтомобильных) транспортных средств и становятся важными с необходимостью замены асбеста. Это использование очень важно в течение некоторого времени, но композиции nonasbestos organic (NAO) начинают снижать долю рынка графита. Тормозная промышленность встряска с некоторыми закрытием завода не была выгодной и не имела равнодушного автомобильного рынка. Согласно USGS, потребление природного графита в США в тормозных накладках в 2005 году составило 6 510 тонн.
Литейные покрытия и смазочные материалы:
Литьевая облицовка формы — это водная краска из аморфного или мелкозернистого графита. Окрашивая внутри формы пресс-форму и позволяя ей высушивать листья тонкого графитового покрытия, которое облегчит разделение объекта после охлаждения горячего металла. Графитовые смазочные материалы являются специальными предметами для использования при очень высоких или очень низких температурах, в качестве ковочной смазки, антисептического средства, зубчатой смазки для горных машин и смазки замков. Очень желательно иметь графит с низким содержанием песка или даже лучше не графитовый графит (сверхчистая чистота). Его можно использовать в виде сухого порошка, в воде или масле или в виде коллоидного графита (постоянная суспензия в жидкости). Оценка, основанная на статистике потребления графита USGS, показывает, что в 2005 году было использовано 2200 тонн.
карандаши:
Возможность оставлять метки на бумаге и других объектах дала графиту свое название, данное в 1789 году немецким минералогом Авраамом Готлобом Вернером. Это происходит от графеина, что означает писать / рисовать в древнегреческом.
С 16-го века все карандаши были изготовлены с использованием английского графитового графита, но современный карандашный свинец обычно представляет собой смесь порошкообразного графита и глины; он был изобретен Николя-Жаком Конте в 1795 году. Он химически не связан с металлическим свинцом, чьи руды имели похожий вид, отсюда и продолжение названия. Plumbago — еще один более старый термин для естественного графита, используемого для рисования, как правило, как кусок минерала без деревянного каркаса. Термин рисунок plumbago обычно ограничивается работами 17 и 18 веков, в основном портретами.
Сегодня карандаши по-прежнему представляют собой небольшой, но значительный рынок природного графита. Около 7% из 1,1 млн. Тонн, произведенных в 2011 году, использовалось для изготовления карандашей. Низкокачественный аморфный графит используется и поступает в основном из Китая.
Расширенный графит:
Увеличенный графит изготавливают путем погружения природного гранулированного графита в ванну с хромовой кислотой, затем концентрированной серной кислотой, которая заставляет плоскости кристаллической решетки разделиться, тем самым расширяя графит. Развернутый графит можно использовать для изготовления графитовой фольги или для непосредственного использования в качестве соединения «горячая вершина» для изоляции расплавленного металла в литейных или раскаленных стальных слитках и уменьшения потерь тепла или в качестве огневых столбов, установленных вокруг противопожарной двери или ошейников из листового металла окружающая пластиковая труба (во время пожара, графит расширяется и символы, чтобы противостоять проникновению и распространению огня), или для изготовления высокопроизводительного прокладочного материала для высокотемпературного использования. После превращения в графитную фольгу фольгу обрабатывают и собирают в биполярные пластины в топливных элементах. Фольга сделана в радиаторы для портативных компьютеров, которые удерживают их в прохладе, экономя вес, и превращаются в ламинат из фольги, который можно использовать в клапанах или в уплотнениях. Старые упаковки теперь являются второстепенным элементом этой группировки: мелкозернистый графит в маслах или смазках для использования, требующих термостойкости. Оценка GAN текущего потребления природного графита в США в этом конечном использовании составляет 7500 тонн.
Интеркалированный графит:
Графит образует интеркалирующие соединения с некоторыми металлами и малыми молекулами. В этих соединениях молекула-хозяин или атом «зажаты» между слоями графита, что приводит к типу соединений с переменной стехиометрией. Важным примером интеркалирующего соединения является графит калия, обозначаемый формулой KC8. Соединения интеркаляции графита являются сверхпроводниками. Самая высокая температура перехода (к июню 2009 года) Tc = 11,5 К достигается в CaC6, а также увеличивается при приложении давления (15,1 К при 8 ГПа).
Синтетический графит:
Изобретение способа получения синтетического графита:
В 1893 году Чарльз-стрит из Le Carbone обнаружила процесс изготовления искусственного графита. Другой процесс изготовления синтетического графита был изобретен случайно Эдвардом Гудричем Ачесоном (1856-1931). В середине 1890-х годов Ачесон обнаружил, что перегрев карборунда дает почти чистый графит. Изучая влияние высокой температуры на карборунд, он обнаружил, что кремний испаряется при температуре около 14050 ° С (7 500 ° F), оставляя углерод в графитовом угле. Этот графит был еще одним важным открытием для него, и он стал чрезвычайно ценным и полезным в качестве смазки.
В 1896 году Ачесон получил патент на свой метод синтеза графита, а в 1897 году начал коммерческое производство. Acheson Graphite Co. была образована в 1899 году.
Научное исследование:
Высокоориентированный пиролитический графит (HOPG) представляет собой высококачественную синтетическую форму графита. Он используется в научных исследованиях, в частности, в качестве стандарта длины для калибровки сканера сканирующего зондового микроскопа.
Электроды:
Графитовые электроды несут электричество, которое плавит металлолом и сталь, а иногда и железо с прямым восстановлением (DRI), в электродуговых печах, которые составляют подавляющее большинство стальных печей. Они изготовлены из нефтяного кокса после смешивания с смолой угольной смолы. Затем их экструдируют и формируют, запекают для карбонизации связующего (смолы) и, наконец, графитируют путем нагревания до температур, приближающихся к 3000 ° С, при которых атомы углерода располагаются в графите. Они могут варьироваться в размере до 11 футов в длину и 30 дюймов в диаметре. Увеличивающаяся доля мировой стали производится с использованием электродуговых печей, и сама электродуговая печь становится более эффективной, делая больше стали на тонну электрода. Оценка, основанная на данных USGS, показывает, что потребление графитового электрода в 2005 году составило 197 000 тонн.
Электролитическая выплавка алюминия также использует графитовые углеродные электроды. В гораздо меньших масштабах синтетические графитовые электроды используются в электроразрядной обработке (EDM), обычно для изготовления литьевых форм для пластмасс.
Порошок и лом:
Порошок получают путем нагревания порошкообразного нефтяного кокса выше температуры графитизации, иногда с незначительными модификациями. Лом графита поступает из кусков неиспользуемого материала электрода (на стадии производства или после использования) и токарных стружек, как правило, после дробления и калибровки. Большинство синтетических графитовых порошков идет на углеродное повышение в стали (конкурирует с природным графитом), некоторые из них используются в батареях и тормозных накладках. Согласно USGS, синтетический синтетический графитовый порошок и металлолом США в 2001 году составил 95 000 тонн (последние данные).
Нейтронный модератор:
Основная статья: Ядерный графит
Специальные классы синтетического графита, такие как Gilsocarbon, также находят применение в качестве матрицы и замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Его поперечное сечение с низким нейтроном также рекомендует использовать его в предлагаемых термоядерных реакторах. Следует проявлять осторожность, чтобы графит реакторного типа не содержал поглощающих нейтроны материалов, таких как бор, широко используемых в качестве затравочного электрода в промышленных системах нанесения графита, что приводило к срыву ядерных реакторов на основе графита на немецкой основе. Поскольку они не могли изолировать трудности, они были вынуждены использовать гораздо более дорогие модераторы тяжелой воды. Графит, используемый для ядерных реакторов, часто называют ядерным графитом.
Другие виды использования:
Графитовые (углеродные) волокна и углеродные нанотрубки также используются в армированных углеродным волокном пластмассах и в жаропрочных композитах, таких как усиленный углерод-углерод (RCC). Коммерческие структуры, изготовленные из графитовых композитов из углеродного волокна, включают в себя удочки, шахты гольф-клуба, велосипедные рамы, панели кузова для спортивных автомобилей, фюзеляж Boeing 787 Dreamliner и бильярдные пулы и успешно применяются в железобетоне. Механические свойства углеродного волокна графитовые армированные пластиковые композиты и серый чугун сильно зависят от роли графита в этих материалах. В этом контексте термин «(100%) графит» часто используется для обозначения чистой смеси углеродной арматуры и смолы, а термин «композит» используется для композиционных материалов с дополнительными ингредиентами.
Современный бездымный порошок покрыт графитом, чтобы предотвратить накопление статического заряда.
Графит использовался, по меньшей мере, в трех радиолокационных абсорбирующих материалах. Он был смешан с резиной в Sumpf и Schornsteinfeger, которые использовались на подводных лодках для подводных лодок, чтобы уменьшить их поперечное сечение радара. Он также использовался в плитах на раннем F-117 Nighthawk (1983).
Графит Добыча и переработка:
Графит добывается как открытым способом, так и подземным способом. Графит обычно нуждается в обогащении. Это может быть выполнено путем ручной подбор кусков жилки (породы) и ручного скрининга продукта или измельчения породы и выплескивания графита. Преимущество флотации встречает трудность, заключающуюся в том, что графит очень мягкий и «маркирует» (покрывает) частицы жилки. Это приводит к тому, что «заметные» частицы полос плавают с графитом, что дает нечистый концентрат. Существует два способа получения коммерческого концентрата или продукта: повторное перечистку и плавание (до семи раз) для очистки концентрата или кислотное выщелачивание (растворение) жиров плавиковой кислотой (для силикатной жилы) или соляной кислотой (для карбонатная жила).
При фрезеровании входящие продукты и концентраты графита могут быть измельчены до того, как они будут классифицированы (размер или скрининг), с более крупными фракциями размера хлопьев (ниже 8 меш, 8-20 меш, 20-50 меш), тщательно сохраненными, а затем содержание углерода . Некоторые стандартные смеси могут быть получены из разных фракций, каждый из которых имеет определенное распределение размера хлопьев и содержание углерода. Пользовательские смеси также могут быть сделаны для отдельных клиентов, которые хотят получить определенный размер распределения хлопьев и содержание углерода. Если размер чешуйки неважен, концентрат можно размалывать более свободно. Типичные конечные продукты включают тонкий порошок для использования в качестве суспензии при бурении нефтяных скважин и покрытия для литейных форм, сборщик углерода в сталелитейной промышленности (синтетический графитовый порошок и порошкообразный нефтяной кокс также могут использоваться в качестве улавливателя углерода). Воздействие на окружающую среду от графитовых мельниц заключается в загрязнении воздуха, в том числе при мелкодисперсном воздействии на рабочих людей, а также на загрязнении почвы от разбрызгивания порошка, что приводит к загрязнению почвы тяжелыми металлами.
Наиболее распространенный способ рециркуляции графита происходит, когда синтетические графитовые электроды либо производятся, либо обрезаны, либо отшлифованы токарные стружки, либо электрод (или другой) используется вплоть до держателя электрода. Новый электрод заменяет старый, но остается большая часть старого электрода. Это измельчается и имеет размер, и полученный графитовый порошок в основном используется для повышения содержания углерода в расплавленной стали. Графитсодержащие огнеупоры иногда также перерабатываются, но часто не из-за их графита: изделия самого большого объема, такие как углерод-магнезитовый кирпич, который содержит только 15-25% графита, обычно содержат слишком мало графита. Однако в качестве основы для материалов для ремонта печи используется некоторый переработанный углерод-магнезитовый кирпич, а также измельченный углерод-магнезитовый кирпич используется в шлаковых кондиционерах. В то время как тигли имеют высокое содержание графита, объем тиглей, используемых, а затем переработанных, очень мал.
Высококачественный продукт из хлопьевидного графита, который очень похож на природный гранулированный графит, может быть изготовлен из сталелитейного киша. Киш представляет собой крупногабаритные почти расплавленные отходы, которые обезжиренные от подачи расплавленного железа в основную кислородную печь и состоят из смеси графита (осажденного из пересыщенного железа), богатого известью шлака и некоторого количества железа. Утюг перерабатывается на месте, оставляя смесь графита и шлака. Наилучший процесс восстановления использует гидравлическую классификацию (которая использует поток воды для разделения минералов по удельному весу: графит светлый и оседает почти последний), чтобы получить концентрат графита на 70%. Выщелачивание этого концентрата соляной кислотой дает 95% графитовый продукт с размером чешуйки от 10 меш.