Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с угольного электрода )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Графит ( / ɡ г æ е т / ), архаический называют Пламбей , является кристаллической формой элемента углерода с его атомами , расположенной в гексагональной структуре . Он встречается в природе в этой форме и является наиболее стабильной формой углерода при стандартных условиях . Под высоким давлением и температурой он превращается в алмаз . Графит используется в карандашах и смазках. Это хороший проводник тепла и электричества. Его высокая проводимость делает его полезным в электронных продуктах, таких как электроды ,батареи и солнечные батареи .

Виды и разновидности [ править ]

Основными типами природного графита, каждый из которых встречается в разных типах рудных месторождений, являются:

  • Кристаллические мелкие чешуйки графита (или чешуйчатого графита) представляют собой изолированные плоские пластинчатые частицы с шестиугольными краями, если они не сломаны. В случае поломки края могут быть неровными или угловатыми;
  • Аморфный графит: очень мелкочешуйчатый графит иногда называют аморфным; [5]
  • Кусковой графит (или жильный графит) встречается в трещинных жилах или трещинах и выглядит как массивные пластинчатые срастания волокнистых или игольчатых кристаллических агрегатов и, вероятно, имеет гидротермальное происхождение. [6]
  • Высокоупорядоченный пиролитический графит относится к графиту с угловым разбросом между графитовыми листами менее 1 °. [7]
  • Название «графитовое волокно» иногда используется для обозначения углеродных волокон или армированного углеродным волокном полимера .

Происшествие [ править ]

Графит происходит в метаморфических породах , как в результате сокращения из осадочных соединений углерода в процессе метаморфизма . Он также встречается в магматических породах и метеоритах . [4] Минералы, связанные с графитом, включают кварц , кальцит , слюды и турмалин . Основные источники экспорта добытого графита в тоннаже: Китай, Мексика, Канада, Бразилия и Мадагаскар. [8]

В метеоритах графит встречается с троилитом и силикатными минералами . [4] Маленькие графитовые кристаллы в метеоритном железе называются клифтонитом . [6] Некоторые микроскопические зерна имеют особый изотопный состав , указывающий на то, что они были сформированы до Солнечной системы . [9] Они являются одним из примерно 12 известных типов минералов, которые существовали еще до появления Солнечной системы, а также были обнаружены в молекулярных облаках . Эти минералы образовались в выбросах, когда сверхновыевзорвавшиеся звезды или звезды малых и средних размеров в конце своей жизни выбросили свои внешние оболочки. Графит может быть вторым или третьим по возрасту минералом во Вселенной. [10] [11]

Свойства [ править ]

Структура [ править ]

Твердый углерод бывает разных форм, известных как аллотропы, в зависимости от типа химической связи. Двумя наиболее распространенными являются алмаз и графит (реже встречаются бакминстерфуллерен ). В алмазе связи представляют собой sp 3 орбитальные гибриды, а атомы образуют тетраэдры, каждый из которых связан с четырьмя ближайшими соседями. В графите они представляют собой sp 2 орбитальные гибриды, и атомы образуются в плоскостях, каждая из которых связана с тремя ближайшими соседями, разнесенными на 120 градусов. [12] [13]

Отдельные слои называются графеном . В каждом слое атомы углерода расположены в виде сотовой решетки с длиной связи 0,142 нм, а расстояние между плоскостями составляет 0,335 нм. [14] Атомы в плоскости связаны ковалентно , при этом удовлетворяются только три из четырех потенциальных участков связывания. Четвертый электрон может свободно перемещаться в плоскости, делая графит электропроводящим. Связь между слоями осуществляется посредством слабых ван-дер-ваальсовых связей , которые позволяют легко разделять слои графита или скользить друг мимо друга. [15] Следовательно, электрическая проводимость перпендикулярно слоям примерно в 1000 раз ниже. [16]

Ромбоэдрический графит [ править ]

Две известные формы графита, альфа (гексагональная) и бета ( ромбоэдрическая ), имеют очень похожие физические свойства, за исключением того, что слои графена складываются немного по-разному. [17] Альфа-графит может быть плоским или изогнутым. [18] Альфа-форма может быть преобразована в бета-форму посредством механической обработки, а бета-форма возвращается в альфа-форму при нагревании выше 1300 ° C. [19] Ромбоэдрический графит тоньше 4 нм имеет запрещенную зону даже без приложения внешнего электрического поля. [20]

  • Изображение атомов поверхности графита с помощью сканирующего туннельного микроскопа
  • Элементарная ячейка графита
  • Анимированный вид элементарной ячейки в трех слоях графена (обратите внимание, что это элементарная ячейка, которая немного отличается от ячейки слева)
  • Шаровидная модель графита (два слоя графена)
  • Вид сбоку наложения слоев
  • Плоский вид наложения слоев
  • Стереограмма вращающегося графита

Термодинамика [ править ]

Теоретически предсказанная фазовая диаграмма углерода

Условия равновесия давления и температуры для перехода от графита к алмазу хорошо установлены теоретически и экспериментально. Давление изменяется линейно между1,7  ГПа при0 К и12 ГПа при5000 К ( тройная точка алмаз / графит / жидкость ). [21] [22] Однако фазы имеют широкую область вокруг этой линии, где они могут сосуществовать. При нормальной температуре и давлении , 20 ° C (293 K) и 1 стандартная атмосфера (0,10 МПа) стабильной фазой углерода является графит, но алмаз является метастабильным, и скорость его превращения в графит незначительна. [23] Однако при температурах выше примерно4500 К , алмаз быстро превращается в графит. Для быстрого превращения графита в алмаз требуется давление значительно выше линии равновесия: при2000 К , давлениеНеобходимо 35 ГПа . [21]

Другие свойства [ править ]

Пластины и листы графитовые высотой 10–15 см; минеральный образец из Киммирута, Баффинова Земля

В акустических и тепловых свойствах графита сильно анизотропные , так как фононы быстро распространяются вдоль сильно связанные плоскости, но медленнее , чтобы перемещаться из одной плоскости в другую. Высокая термическая стабильность, электрическая и теплопроводность графита способствуют его широкому использованию в качестве электродов и огнеупоров при обработке материалов при высоких температурах. Однако в кислородсодержащей атмосфере графит легко окисляется с образованием диоксида углерода при температурах 700 ° C и выше. [24]

Молярный объем от давления при комнатной температуре

Графит представляет собой электрический проводник, следовательно , полезен в таких приложениях , как дуговая лампа электроды . Он может проводить электричество из-за обширной делокализации электронов в углеродных слоях (явление, называемое ароматичностью ). Эти валентные электроны могут свободно перемещаться, поэтому могут проводить электричество. Однако электричество в основном проводится в плоскости слоев. Электропроводные свойства порошкового графита [25] позволяют использовать его в качестве датчика давления в угольных микрофонах .

Графит и графитовый порошок ценятся в промышленности за их самосмазывающиеся и сухие смазочные свойства. Существует распространенное мнение, что смазывающие свойства графита обусловлены исключительно неплотным межламеллярным сцеплением между листами в структуре. [26] Однако было показано, что в условиях вакуума (например, в технологиях для использования в космосе ) графит разлагается как смазочный материал из-за гипоксических условий. [27] Это наблюдение привело к гипотезе о том, что смазка возникает из-за наличия жидкостей между слоями, таких как воздух и вода, которые адсорбируются естественным образом.из окружающей среды. Эта гипотеза была опровергнута исследованиями, показавшими, что воздух и вода не абсорбируются. [28] Недавние исследования показывают, что смазочные свойства графита также могут объясняться эффектом, называемым сверхсмазкой . Использование графита ограничивается его тенденцией для облегчения точечной коррозии в некоторых из нержавеющей стали , [29] [30] и способствовать гальванической коррозии между разнородными металлами (из - за его электропроводности). Он также вызывает коррозию алюминия в присутствии влаги. По этой причине ВВС США запретили его использование в качестве смазки в алюминиевых самолетах [31].и не рекомендовали использовать его в автоматическом оружии, содержащем алюминий. [32] Даже отметки графитовым карандашом на алюминиевых деталях могут способствовать коррозии. [33] Другой высокотемпературный смазочный материал, гексагональный нитрид бора , имеет ту же молекулярную структуру, что и графит. Иногда его называют белым графитом из-за схожих свойств.

Когда большое количество кристаллографических дефектов связывает эти плоскости вместе, графит теряет свои смазывающие свойства и становится так называемым пиролитическим графитом . Он также сильно анизотропен и диамагнитен , поэтому он будет парить в воздухе над сильным магнитом. Если он производится в псевдоожиженном слое при температуре 1000–1300 ° C, то он является изотропным турбостратическим и используется в устройствах, контактирующих с кровью, таких как механические сердечные клапаны, и называется пиролитическим углеродом и не является диамагнитным. Пиролитический графит и пиролитический углерод часто путают, но это очень разные материалы. [34]

Природные и кристаллические графиты не часто используются в чистом виде в качестве конструкционных материалов из-за их плоскостей сдвига, хрупкости и несовместимых механических свойств.

История использования природного графита [ править ]

В 4-м тысячелетии до нашей эры, в эпоху неолита на юго-востоке Европы, мариецкая культура использовала графит в керамической краске для украшения керамики . [35]

Гора Серые Узлы в Английском Озерном крае . Графитовая шахта находилась чуть выше по долине слева; деревню Ситоллер можно увидеть справа.

Незадолго до 1565 года (некоторые источники говорят, что уже в 1500 году) на подходе к Серым Узлам из деревушки Ситуэйт в округе Борроудейл , Камбрия, Англия , было обнаружено огромное месторождение графита , которое местные жители сочли полезным для маркировки овец. [36] [37] Во время правления Елизаветы I (1558–1603) графит Борроудейл использовался в качестве огнеупора.Материал для изготовления форм для пушечных ядер, в результате чего получались более круглые и гладкие шары, по которым можно было стрелять дальше, что способствовало усилению английского военно-морского флота. Этот конкретный осадок графита был чрезвычайно чистым и мягким, и его можно было легко разрезать на палочки. Из-за своего военного значения эта уникальная шахта и ее производство строго контролировались Короной. [38]

В 19 веке использование графита значительно расширилось, включив полироль для печей, смазочные материалы, краски, тигли, литейные покрытия и карандаши , что стало основным фактором расширения образовательных инструментов во время первого большого подъема образования для масс. Британская империя контролировала большую часть мировой добычи (особенно на Цейлоне), но к середине века производство на австрийских, немецких и американских месторождениях увеличилось. Например, компания Dixon Crucible из Джерси-Сити, штат Нью-Джерси, основанная Джозефом Диксоном и партнером Орестом Кливлендом в 1845 году, открыла шахты в районе озера Тикондерога в Нью-Йорке, построила там перерабатывающий завод и фабрику по производству карандашей и тиглей. и другие товары в Нью-Джерси, описанные вEngineering & Mining Journal 21 декабря 1878 г. Карандаш Dixon все еще находится в производстве. [39]

Начало революционного процесса пенной флотации связано с добычей графита. Включен в E&MJСтатья о компании Dixon Crucible представляет собой набросок «плавучих резервуаров», использовавшихся в старинном процессе добычи графита. Поскольку графит очень легкий, смесь графита и отходов была отправлена ​​через последнюю серию резервуаров для воды, где более чистый графит «всплыл», оставив отходы выпадать. В патенте 1877 года два брата Бессель (Адольф и Август) из Дрездена, Германия, пошли дальше этого «плавающего» процесса и добавили небольшое количество масла в резервуары и кипятили смесь - этап перемешивания или вспенивания - до сбор графита - первые шаги к будущему процессу флотации. Адольф Бессель получил медаль Велера за запатентованный процесс, который повысил извлечение графита из немецкого месторождения до 90%. В 1977 г.Немецкое общество горных инженеров и металлургов организовало специальный симпозиум, посвященный их открытию и, таким образом, 100-летию флотации.[40]

В Соединенных Штатах в 1885 году Езекия Брэдфорд из Филадельфии запатентовал аналогичный процесс, но неясно, был ли его способ успешно использован на близлежащих месторождениях графита в округе Честер, штат Пенсильвания, который к 1890-м годам был крупным производителем. Использование процесса Бесселя было ограниченным, в первую очередь из-за обилия более чистых отложений, обнаруженных по всему миру, и для сбора чистого графита требовалось не что иное, как ручная сортировка. Современное состояние, ок. 1900 год описан в отчете Департамента горнодобывающей промышленности Канады о графитовых рудниках и рудниках, когда канадские месторождения стали важными производителями графита. [40] [41]

Другие имена [ редактировать ]

Исторически сложилось, что графит называется черный свинец или графит . [6] [42] Plumbago обычно использовался в массивной минеральной форме. Оба эти названия возникли из-за путаницы с похожими по внешнему виду свинцовыми рудами, особенно с галенитом . Латинское слово, обозначающее свинец, plumbum , дало название английскому термину, обозначающему этот серый минерал с металлическим блеском, и даже свинцу или плюмбаго , растениям с цветами, напоминающими этот цвет.

Термин « черный свинец» обычно относится к порошкообразному или обработанному графиту матово-черного цвета.

Авраам Готтлоб Вернер придумал название графит («камень для письма») в 1789 году. Он попытался устранить путаницу между молибденом, свинцом и черным свинцом после того, как Карл Вильгельм Шееле в 1778 году доказал, что существует по крайней мере три разных минерала. Анализ Шееле показал, что химические соединения сульфида молибдена ( молибденит ), сульфида свинца (II) ( галенит ) и графита представляют собой три разных мягких черных минерала. [43] [44] [45]

Использование природного графита [ править ]

Природный графит в основном используется в огнеупорах, батареях, сталеплавильном производстве, расширенном графите, тормозных накладках, литейных покрытиях и смазках. [46]

Огнеупоры [ править ]

Использование графита в качестве огнеупорного (термостойкой) материала началось до 1900 с графитовыми тиглей , используемых для хранения расплавленного металла; сейчас это небольшая часть огнеупоров . В середине 1980-х гг. Важное значение приобрел угольно- магнезитовый кирпич, а чуть позже глино-графитовый кирпич. По состоянию на 2017 г. порядок важности следующий: глиноземно-графитовые профили, угольно-магнезитовый кирпич, монолитные изделия (торкрет-смеси и набивные смеси), а затем тигли.

Тигли начали использовать очень крупный чешуйчатый графит и угольно-магнезитовые кирпичи, для которых требовался не такой крупный чешуйчатый графит; для этих и других теперь существует гораздо большая гибкость в отношении размера требуемых чешуек, и аморфный графит больше не ограничивается низкоуровневыми огнеупорами. Профили из глинозема и графита используются в качестве изделий для непрерывной разливки, таких как форсунки и желоба, для транспортировки расплавленной стали из ковша в изложницу, а угольно-магнезитовые кирпичи используются для изготовления стальных конвертеров и электродуговых печей, чтобы выдерживать экстремальные температуры. Графитовые блоки также используются в частях футеровки доменных печей [47], где высокая теплопроводность графита имеет решающее значение для обеспечения надлежащего охлаждения дна и пода печи. [48] Монолитные изделия высокой чистоты часто используются в качестве сплошной футеровки печей вместо угольно-магнезитовых кирпичей.

Огнеупорная промышленность США и Европы пережила кризис в 2000–2003 гг., Когда рынок стали оставался равнодушным, а потребление огнеупоров на тонну стали лежало в основе выкупа компаний и закрытия многих заводов. [ необходима цитата ] Многие из закрытий заводов были результатом приобретения Harbison-Walker Refractories компанией RHI AGоборудование некоторых заводов было продано с аукциона. Поскольку большая часть потерянной мощности приходилась на угольно-магнезитовый кирпич, потребление графита в области огнеупоров сместилось в сторону глиноземно-графитовых форм и монолитов, а не кирпича. Основным источником угольно-магнезитового кирпича в настоящее время является импорт из Китая. Почти все перечисленные выше огнеупоры используются для производства стали и составляют 75% расхода огнеупоров; остальное используется в различных отраслях промышленности, например, в цементной.

По данным USGS , потребление природного графита в огнеупорах в США в 2010 году составило 12 500 тонн [46].

Батареи [ править ]

Использование графита в батареях увеличилось с 1970-х годов. Природный и синтетический графит используются в качестве анодного материала для изготовления электродов в основных аккумуляторных технологиях. [49]

Спрос на батареи, в первую очередь никель-металлогидридные и литий-ионные , вызвал рост спроса на графит в конце 1980-х - начале 1990-х годов - рост был обусловлен портативной электроникой, такой как портативные проигрыватели компакт-дисков и электроинструменты . Ноутбуки , мобильные телефоны , планшеты и смартфоны увеличили спрос на аккумуляторы. Ожидается, что аккумуляторные батареи для электромобилей повысят спрос на графит. Например, литий-ионный аккумулятор полностью электрического Nissan Leaf содержит почти 40 кг графита.

Радиоактивный графит из старых ядерных реакторов исследуется в качестве топлива. Батарея Nuclear Diamond имеет потенциал для длительного энергоснабжения электроники и Интернета вещей. [50]

Производство стали [ править ]

Природный графит в сталеплавильном производстве в основном используется для повышения содержания углерода в жидкой стали; он также может служить для смазки штампов, используемых для экструзии горячей стали. Углеродные добавки имеют конкурентоспособную цену по сравнению с такими альтернативами, как порошок синтетического графита, нефтяной кокс и другие формы углерода. Для увеличения содержания углерода в стали до заданного уровня добавлен углеродный сборщик. Оценка, основанная на статистике потребления графита USGS, показывает, что производители стали в США использовали 10 500 тонн таким образом в 2005 году [46].

Тормозные накладки [ править ]

Природный аморфный и мелкочешуйчатый графит используется в тормозных накладках или тормозных колодках для более тяжелых (неавтомобильных) транспортных средств и стал важным в связи с необходимостью замены асбеста . Это использование было важным в течение некоторого времени, но неасбестовые органические (NAO) композиции начинают сокращать долю графита на рынке. Перетряска тормозных колодок с закрытием некоторых заводов не принесла пользы, равно как и неравнодушный автомобильный рынок. По данным USGS , в 2005 году потребление природного графита в тормозных накладках в США составляло 6 510 тонн [46].

Литейные покрытия и смазочные материалы [ править ]

Средство для мытья литейных форм представляет собой водную краску из аморфного или мелкочешуйчатого графита. Если покрасить им внутреннюю часть формы и дать ей высохнуть, останется тонкий слой графита, который облегчит отделение отливки после охлаждения горячего металла. Графитовые смазки - это специальные продукты, предназначенные для использования при очень высоких или очень низких температурах, в качестве смазки для штампов, противозадирных присадок, смазки для зубчатых передач для горнодобывающего оборудования и для смазки замков. Очень желательно иметь графит с низкой зернистостью или, что еще лучше, графит без зернистости (сверхвысокой чистоты). 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 таким образом было использовано 2200 тонн [46]. Металл также может быть пропитан графитом для создания самосмазывающегося сплава для применения в экстремальных условиях, например подшипников для машин, подвергающихся воздействию высоких или низких температур. [51]

Карандаши [ править ]

Графитовые карандаши

Благодаря способности оставлять следы на бумаге и других предметах графит получил свое название, данное в 1789 году немецким минералогом Абрахамом Готтлобом Вернером . Оно происходит от γράφειν («графейн») , что означает писать или рисовать на древнегреческом языке . [6] [52]

С XVI века все карандаши изготавливались из грифеля из натурального английского графита, но современный грифель чаще всего представляет собой смесь порошкового графита и глины; он был изобретен Николя-Жаком Конте в 1795 году. [53] [54] Он химически не связан с металлическим свинцом , руды которого имели похожий внешний вид, отсюда и продолжение названия. Пламбаго - еще один старый термин для обозначения природного графита, который используется для рисования , обычно как кусок минерала без деревянной оболочки. Термин « рисунок свиноматки» обычно ограничивается работами 17-18 веков, в основном портретами.

Сегодня карандаши по-прежнему являются небольшим, но значительным рынком сбыта натурального графита. Около 7% из 1,1 миллиона тонн, произведенных в 2011 году, было использовано для изготовления карандашей. [55] Низкокачественный аморфный графит используется и поступает в основном из Китая. [46]

Другое использование [ править ]

Природный графит нашел применение в угольно-цинковых батареях , щетках электродвигателей и в различных специализированных областях применения. Графит различной твердости или мягкости при использовании в качестве художественного средства дает разные качества и оттенки . [56] Железные дороги часто смешивают порошкообразный графит с отработанным маслом или льняным маслом, чтобы создать термостойкое защитное покрытие для открытых частей котла паровоза, таких как дымовая камера или нижняя часть топки . [57]

Расширенный графит [ править ]

Расширенный графит получают путем погружения натурального чешуйчатого графита в ванну с хромовой кислотой , а затем в концентрированную серную кислоту , которая раздвигает плоскости кристаллической решетки, таким образом расширяя графит. Вспененный графит может быть использован , чтобы сделать графитовую фольгу или непосредственно использовать в качестве «горячих верхних» соединений для изоляции расплавленного металла в ковше или докрасна стальные слитки и потеря уменьшения тепла, или в качестве огневых преград , установленных вокруг двери пожарной или в листовых металлических хомутах окружающая пластиковая труба (во время пожара графит расширяется и обугливается, чтобы противостоять проникновению и распространению огня), или для изготовления высококачественного прокладочного материала для использования при высоких температурах. После изготовления графитовой фольги фольга обрабатывается и собирается в биполярные пластины втопливные элементы . Из фольги изготавливают теплоотводы для портативных компьютеров, которые охлаждают их при сохранении веса, и из фольги изготавливают ламинат, который можно использовать в уплотнениях клапанов или делать прокладки. Набивки старого образца теперь являются второстепенным членом этой группы: мелкочешуйчатый графит в маслах или консистентных смазках для применений, требующих термостойкости. По оценке GAN, текущее потребление природного графита в США для этого конечного использования составляет 7 500 тонн. [46]

Интеркалированный графит [ править ]

Структура CaC 6

Графит образует интеркаляционные соединения с некоторыми металлами и небольшими молекулами. В этих соединениях молекула-хозяин или атом оказывается «зажатым» между слоями графита, в результате чего получается соединение с переменной стехиометрией. Ярким примером соединения интеркаляции является графит калия, обозначаемый формулой KC 8 . Некоторые соединения интеркалирования графита являются сверхпроводниками . Наивысшая температура перехода (к июню 2009 г.) T c = 11,5 K достигается в CaC 6 , и она далее увеличивается под действием приложенного давления (15,1 K при 8 ГПа). [58] Способность графита интеркалировать ионы лития без значительного повреждения от набухания - вот что делает его основным анодным материалом в литий-ионных батареях.

Использование синтетического графита [ править ]

Изобретение процесса производства синтетического графита [ править ]

В 1893 году на Чарльз-стрит в Ле Карбоне был открыт процесс изготовления искусственного графита. В середине 1890-х годов Эдвард Гудрич Ачесон (1856–1931) случайно изобрел другой способ производства синтетического графита после синтеза карборунда (карбида кремния или SiC ). Он обнаружил, что из-за перегрева карборунд, в отличие от чистого углерода, образуется почти чистый графит. Изучая влияние высокой температуры на карборунд, он обнаружил, что кремний испаряется при температуре около 4150 ° C (7500 ° F), оставляя углерод в графитовом углероде. Этот графит стал ценным смазочным материалом. [6]

Метод Ачесона для производства карбида кремния и графита называется процессом Ачесона . В 1896 году Ачесон получил патент на свой метод синтеза графита [59], а в 1897 году начал промышленное производство. [6] Компания Acheson Graphite была основана в 1899 году.

Научные исследования [ править ]

Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ) - это синтетическая форма графита высочайшего качества. Он используется в научных исследованиях, в частности, как эталон длины для калибровки сканера сканирующего зондового микроскопа . [60] [61]

Электроды [ править ]

Графитовые электроды переносят электричество, которое плавит лом железа и стали, а иногда и железо прямого восстановления (DRI), в электродуговых печах , которые составляют подавляющее большинство сталеплавильных печей . Они производятся из нефтяного кокса после его смешивания с каменноугольным пеком . Они затем экструдируют и в форме, затем обжигают , чтобы карбонизации в связующее (шаг), и , наконец , графитированных путем его нагрева до температур , приближающихся к 3000 ° С, при которой атомы углерода в графит организовать. Они могут быть разного размера до 3,5 м (11 футов) в длину и 75 см (30 дюймов) в диаметре. Растущая доля мировой сталипроизводится с использованием электродуговых печей, а сама электродуговая печь становится более эффективной, производя больше стали на тонну электрода. Оценка, основанная на данных USGS, показывает, что потребление графитовых электродов в 2005 году составляло 197 000 тонн [46].

Электролитическая выплавка алюминия также использует графитовые углеродные электроды. В гораздо меньших масштабах электроды из синтетического графита используются при электроэрозионной обработке (EDM), обычно для изготовления литьевых форм для пластмасс . [62]

Порошок и лом [ править ]

Порошок получают путем нагревания порошкообразного нефтяного кокса выше температуры графитации, иногда с небольшими изменениями. Графитовый скрап поступает из кусков непригодного к использованию электродного материала (на стадии производства или после использования) и токарных токарных станков, обычно после дробления и калибровки. Большая часть порошка синтетического графита идет на повышение содержания углерода в стали (конкурируя с естественным графитом), а некоторые из них используются в аккумуляторах и тормозных накладках. По данным USGS , производство порошка и лома синтетического графита в США в 2001 году составило 95 000 тонн (последние данные). [46]

Нейтронный модератор [ править ]

Специальные сорта синтетического графита, такие как Gilsocarbon, [63] [64], также находят применение в качестве матрицы и замедлителя нейтронов в ядерных реакторах . Его низкое нейтронное сечение также рекомендует использовать его в предлагаемых термоядерных реакторах . Необходимо следить за тем, чтобы графит реакторного качества не содержал материалов, поглощающих нейтроны, таких как бор , широко используемый в качестве затравочного электрода в коммерческих системах осаждения графита - это вызвало отказ немецких ядерных реакторов на основе графита во время Второй мировой войны . Поскольку они не могли изолировать сложность, они были вынуждены использовать гораздо более дорогую тяжелую воду.модераторы. Графит, используемый для ядерных реакторов, часто называют ядерным графитом .

Другое использование [ править ]

Графитовое (углеродное) волокно и углеродные нанотрубки также используются в пластиках , армированных углеродным волокном , и в термостойких композитах, таких как армированный углерод-углерод (RCC). Коммерческие конструкции, изготовленные из углеродного волокна и графита, включают удочки , стержни клюшек для гольфа, рамы велосипедов, панели кузова спортивных автомобилей, фюзеляж Boeing 787 Dreamliner и бильярдные кий, и были успешно использованы в железобетоне . Механические свойства углеродных волокон, армированных графитом пластиковых композитов и серого чугуна.на них сильно влияет роль графита в этих материалах. В этом контексте термин «(100%) графит» часто используется в широком смысле для обозначения чистой смеси углеродного армирования и смолы , в то время как термин «композит» используется для композитных материалов с дополнительными ингредиентами. [65]

Современный бездымный порох покрыт графитом для предотвращения накопления статического заряда .

Графит использовался как минимум в трех материалах, поглощающих радары . Он был смешан с резиной в Sumpf и Schornsteinfeger, которые использовались на трубках подводных лодок, чтобы уменьшить их радиолокационное сечение . Он также использовался в плитках ранних истребителей- невидимок F-117 Nighthawk .

Графитовые композиты используются в качестве поглотителя частиц высоких энергий (например, в отводе пучка LHC [66] ).

Графитовые стержни, когда им придана форма, используются в стекольной промышленности в качестве инструмента для манипулирования горячим расплавленным стеклом. [67]

Добыча, обогащение и измельчение графита [ править ]

Крупный образец графита. Центр биоразнообразия Naturalis , Лейден , Нидерланды.

Графит добывают как открытым, так и подземным способом. Графит обычно требует обогащения . Это может быть выполнено путем ручного отбора кусков пустой породы (породы) и ручного просеивания продукта или путем дробления породы и всплытия графита. При обогащении флотацией возникает проблема, связанная с тем, что графит очень мягкий и «маркирует» (покрывает) частицы пустой породы . Это заставляет «отмеченные» частицы пустой породы улетучиваться вместе с графитом, давая нечистый концентрат. Существует два способа получения товарного концентрата или продукта: повторное измельчение и всплывание (до семи раз) для очистки концентрата или кислотное выщелачивание (растворение) пустой породы плавиковой кислотой (для силикатной пустой породы) илисоляная кислота (для карбонатной породы).

При измельчении поступающие графитовые продукты и концентраты могут быть измельчены перед сортировкой (калибровкой или просеиванием) с тщательным сохранением более крупных фракций размера хлопьев (менее 8 меш, 8–20 меш, 20-50 меш), а затем содержания углерода. определены. Некоторые стандартные смеси могут быть приготовлены из различных фракций, каждая с определенным распределением размера хлопьев и содержанием углерода. Также могут быть изготовлены индивидуальные смеси для отдельных клиентов, которым требуется определенный размер хлопьев и содержание углерода. Если размер хлопьев не важен, концентрат можно размолоть более свободно. Типичные конечные продукты включают мелкодисперсный порошок для использования в качестве суспензии при бурении нефтяных скважин и покрытия для литейных форм, сборщик углерода в стали.промышленность (порошок синтетического графита и порошкообразный нефтяной кокс также могут использоваться в качестве собирателя углерода). Воздействие на окружающую среду от графитовых заводов заключается в загрязнении воздуха, включая воздействие мелких частиц на рабочих, а также в загрязнении почвы в результате просыпания порошка, что приводит к загрязнению почвы тяжелыми металлами .

Производство графита в 2005 г.

По данным Геологической службы США (USGS), мировое производство природного графита в 2016 году составило 1 200 000 тонн , из которых основными экспортерами являются: Китай (780 000 т), Индия (170 000 т), Бразилия (80 000 т), Турция ( 32000 т) и Северная Корея (6000 т). [68] Графит еще не добывается в Соединенных Штатах . Тем не менее, Westwater Resources в настоящее время находится на стадии разработки по созданию пилотной установки для своей графитовой шахты Coosa около Силакоги, штат Алабама . [69]Производство синтетического графита в США в 2010 году составило 134 000 тонн на сумму 1,07 миллиарда долларов. [46]

Безопасность труда [ править ]

Люди могут подвергаться воздействию графита на рабочем месте, вдыхая его, а также при контакте с кожей или глазами.

Соединенные Штаты [ править ]

Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) установило законный предел ( допустимый предел воздействия ) для воздействия графита на рабочем месте как средневзвешенное по времени (TWA) 15 миллионов частиц на кубический фут (1,5 мг / м 3 ) в течение 8 -часовой рабочий день. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH) установила предел рекомендуемой экспозиции (REL) TWA от 2,5 мг / м 3 вдыхаемой пыли в течение 8-часового рабочего дня. При уровне 1250 мг / м 3 графит немедленно опасен для жизни и здоровья . [70]

Переработка графита [ править ]

Наиболее распространенный способ вторичной переработки графита происходит, когда электроды из синтетического графита либо производятся, и части отрезаются, либо токарные токарные стружки выбрасываются для повторного использования, либо электрод (или другие материалы) используются на всем протяжении вплоть до электрододержателя. Новый электрод заменяет старый, но остается значительный кусок старого электрода. Его измельчают и калибруют, 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 низкого содержания графита: изделия с наибольшим объемом, такие как угольно-магнезитовые кирпичи, содержащие всего 15–25% графита, обычно содержат слишком мало графита, чтобы их стоить. перерабатывать. Однако в качестве основы для ремонта печей используется переработанный угольно-магнезитовый кирпич.а также щебень угольно-магнезитовый кирпич используется в кондиционерах шлака. Хотя тигли имеют высокое содержание графита, объем тиглей, используемых, а затем рециркулируемых, очень мал.

Высококачественный чешуйчатый графит, который очень похож на натуральный чешуйчатый графит, может быть получен из сталеплавильного кишечника. Киш - это почти расплавленные отходы большого объема, снятые с подачи жидкого чугуна в кислородную печь, и состоят из смеси графита (осажденного из перенасыщенного железа), богатого известью шлака и некоторого количества железа. Чугун перерабатывается на месте, оставляя смесь графита и шлака. В лучшем процессе извлечения используется гидравлическая классификация (которая использует поток воды для разделения минералов по удельному весу: графит легкий и осаждается почти последним) для получения грубого концентрата 70% графита. Выщелачивание этого концентрата соляной кислотой дает 95% графитовый продукт с размером хлопьев от 10 меш.

См. Также [ править ]

  • Процесс Ачесона
  • Углеродное волокно
  • Углеродная нанотрубка
  • Алмазный
  • Нанопластинки из расслоенного графита
  • Фуллерен
  • Графен
  • Соединение интеркалирования графита
  • Графитирующие и неграфитирующие угли
  • Вспучивающийся
  • Лонсдейлит
  • Минералы природных элементов
  • Ядерный графит
  • Пассивная противопожарная защита
  • Рисунок плюмбаго
  • Пиролитический уголь

Ссылки [ править ]

  1. ^ Жидкостный метод: производство чистого графена . Phys.org (30 мая 2010 г.).
  2. ^ Графит . Mindat.org.
  3. ^ Графит . Webmineral.com.
  4. ^ a b c Энтони, Джон В .; Бидо, Ричард А .; Bladh, Kenneth W .; Николс, Монте К., ред. (1990). «Графит» (PDF) . Справочник по минералогии . I (элементы, сульфиды, сульфосоли). Шантильи, Вирджиния, США: Минералогическое общество Америки. ISBN 978-0962209703.
  5. ^ Sutphin, Дэвид М .; Джеймс Д. Блисс (август 1990 г.). «Типы отложений рассеянного чешуйчатого графита и аморфного графита; анализ с использованием моделей содержания и тоннажа». Бюллетень ЦИМ . 83 (940): 85–89.
  6. ^ Б с д е е графита . Энциклопедия Britannica Online.
  7. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « высокоориентированный пиролитический графит ». DOI : 10,1351 / goldbook.H02823
  8. ^ «Графит» . База данных минералов . Коалиция по образованию в области полезных ископаемых. 2018 . Проверено 9 декабря 2018 .
  9. ^ Мария, Лугаро (2005). Звездная пыль от метеоритов: введение в досолнечные зерна . World Scientific. С. 14, 154–157. ISBN 9789814481373.
  10. ^ Hazen, RM; Даунс, РТ; Kah, L .; Сверженский, Д. (13 февраля 2013 г.). «Эволюция углеродных минералов». Обзоры по минералогии и геохимии . 75 (1): 79–107. Bibcode : 2013RvMG ... 75 ... 79H . DOI : 10.2138 / rmg.2013.75.4 .
  11. McCoy, TJ (22 февраля 2010 г.). «Минералогическая эволюция метеоритов». Элементы . 6 (1): 19–23. DOI : 10,2113 / gselements.6.1.19 .
  12. ^ Delhaes, Пьер (2000). «Полиморфизм углерода». В Дельэ, Пьер (ред.). Графит и прекурсоры . Гордон и Брич. С. 1–24. ISBN 9789056992286.
  13. ^ Пирсон, Хью О. (2012). Справочник по углероду, графиту, алмазу и фуллеренам: свойства, обработка и применение . Публикации Нойеса. С. 40–41. ISBN 9780815517399.
  14. ^ Delhaes, P. (2001). Графит и прекурсоры . CRC Press. ISBN 978-90-5699-228-6.
  15. ^ Chung, DDL (2002). «Обзор графита». Журнал материаловедения . 37 (8): 1475–1489. DOI : 10,1023 / A: 1014915307738 . S2CID 189839788 . 
  16. ^ Пирсон, Хью О. (1993). Справочник по углероду, графиту, алмазу и фуллеренам: свойства, обработка и применение . Парк-Ридж, Нью-Джерси: Публикации Нойес. ISBN 0-8155-1739-4. OCLC  49708274 .
  17. ^ Lipson, H .; Стокс, AR (1942). «Новая структура углерода». Природа . 149 (3777): 328. Bibcode : 1942Natur.149Q.328L . DOI : 10.1038 / 149328a0 . S2CID 36502694 . 
  18. ^ Викофф, WG (1963). Кристаллические структуры . Нью-Йорк, Лондон: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-88275-800-8.
  19. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Ромбоэдрический графит ». DOI : 10,1351 / goldbook.R05385
  20. ^ «Новое достижение в сверхпроводниках с« твистом »в ромбоэдрическом графите» . Phys.org .
  21. ^ a b Банди, П .; Бассетт, Вашингтон; Weathers, MS; Хемли, Р.Дж.; Мао, Гонконг; Гончаров, А.Ф. (1996). «Диаграмма фазового давления и превращения углерода; обновлена ​​до 1994 г.». Углерод . 34 (2): 141–153. DOI : 10.1016 / 0008-6223 (96) 00170-4 .
  22. ^ Ван, CX; Ян, GW (2012). «Термодинамический и кинетический подходы к алмазу и родственным наноматериалам, образованным лазерной абляцией в жидкости». В Ян, Guowei (ред.). Лазерная абляция в жидкостях: принципы и применение в получении наноматериалов . Пан Стэнфорд Паб. С. 164–165. ISBN 9789814241526.
  23. ^ Рок, Питер А. (1983). Химическая термодинамика . Книги университетских наук. п. 257–260. ISBN 9781891389320.
  24. ^ Hanaor, D .; Michelazzi, M .; Леонелли, С .; Соррелл, CC (2011). «Влияние условий обжига на свойства электрофоретически осажденных пленок диоксида титана на графитовых подложках» . Журнал Европейского керамического общества . 31 (15): 2877–2885. arXiv : 1303,2757 . DOI : 10.1016 / j.jeurceramsoc.2011.07.007 . S2CID 93406448 . 
  25. ^ Deprez, N .; Маклахлан, Д.С. (1988). «Анализ электропроводности графита, электропроводность графитовых порошков при прессовании». Журнал физики D: Прикладная физика . 21 (1): 101–107. Bibcode : 1988JPhD ... 21..101D . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 21/1/015 .
  26. ^ Lavrakas, Василисы (1957). «Учебные ошибки: гостевая колонка. XII: Смазывающие свойства графита». Журнал химического образования . 34 (5): 240. Полномочный код : 1957JChEd..34..240L . DOI : 10.1021 / ed034p240 .
  27. ^ Watanabe, N .; Hayakawa, H .; Yoshimoto, O .; Тоджо, Т. (2000). «Смазывающие свойства композитов на основе фторида графита как в атмосфере, так и в условиях высокого вакуума» . Объявление о наземных исследованиях за 2000 финансовый год для отчета об исследованиях в области использования космического пространства .
  28. ^ Йен, Бинг; Швикерт, Биргит (2004). Происхождение поведения с низким коэффициентом трения в графите исследовано методом поверхностной дифракции рентгеновских лучей, SLAC-PUB-10429 (PDF) (Отчет) . Проверено 15 марта 2013 года .
  29. Гальваническая коррозия. Архивировано 10 марта 2009 г. в Wayback Machine . keytometals.com
  30. ^ "Технические примечания ASM - TN7-0506 - Гальваническая коррозия" (PDF) . Атлас специальных металлов . Архивировано из оригинального (PDF) 27 февраля 2009 года.
  31. ^ Джонс, Рик (USAF-Retired) Лучшие смазочные материалы, чем графитовые . graflex.org
  32. ^ «Смазка для оружия в пустыне» . 16 сентября 2005 года Архивировано из оригинала на 2007-10-15 . Проверено 6 июня 2009 .
  33. ^ «Надлежащая инженерная практика / Коррозия» . Lotus Seven Club. 9 апреля 2003 года Архивировано из оригинала 16 сентября 2009 года.
  34. ^ Марш, Гарри; Рейносо, Франсиско Родригес (2007). Активированный уголь (1-е изд.). Эльзевир. С. 497–498. ISBN 9780080455969.
  35. ^ Бордман, Джон. «Неолит-энеолит» (PDF) . Кембриджская древняя история, Том 3, Часть 1 . С. 31–32. ISBN  978-0521224963. Архивировано из оригинального (PDF) 25 февраля 2013 года.
  36. ^ Норгейт, Мартин и Норгейт, Жан; Географический факультет Портсмутского университета (2008 г.). «Старый Газеттер Камбрии, черный свинцовый рудник, Ситуэйт» . Проверено 19 мая 2008 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  37. ^ Уэйнрайт, Альфред (2005). Иллюстрированный путеводитель по озерам Лейкленд, Западные холмы . Лондон: Фрэнсис Линкольн. ISBN 978-0-7112-2460-5.
  38. Устав в целом: от ... года правления ... до ... года правления. 1764. с. 415.
  39. ^ «История» . Компания Диксон Тикондерога . Архивировано из оригинального 7 -го апреля 2018 года.
  40. ^ a b Нгуен, Ан (2003). Коллоидная наука о флотации . п. 11. ISBN 978-0824747824.
  41. ^ Cirkel, Fritz (1907). Графит, его свойства, возникновение, очистка и применение . Оттава: Горный департамент Канады. п. пассив . Проверено 6 апреля 2018 .
  42. ^ Гальваническое покрытие неметаллических веществ . Квитанции от спонсорской мастерской. Vol. II: Окрашивание в Японию. Spon. 1921. с. 132.
  43. ^ Эванс, Джон У. (1908). «V. - Значения и синонимы Plumbago» . Труды Филологического общества . 26 (2): 133–179. DOI : 10.1111 / j.1467-968X.1908.tb00513.x .
  44. ^ Виденманн, Иоганн Фридрих Вильгельм (1794). Handbuch des oryktognostischen Theils der Mineralogie: Mit einer Farbentabelle und einer Kupfertafel . Крузий. п. 653.
  45. ^ Шееле, CWK (1779). "Versuche mit Wasserbley; Molybdaena" . Свенска-Ветенск. Academ. Handlingar . 40 : 238.
  46. ^ a b c d e f g h i j "Статистика и информация о графите" . USGS . Проверено 9 сентября 2009 .
  47. ^ Алмейда, Бруно Видаль де; Невес, Элтон Силва; Сильва, Сидиней Насименто; Вернилли Джуниор, Фернандо (15 мая 2017 г.). «Футеровка пода доменной печи: посмертный анализ» . Материаловедение . 20 (3): 814–818. DOI : 10,1590 / 1980-5373-MR-2016-0875 .
  48. ^ Ли, Ивэй; Ли, Явэй; Пел, Шаобай; Чен, Силай; Чжао, Лэй; Ли, Юаньбинь; Ли, Шуцзин (январь 2014 г.). «Подготовка углеродного блока с керамической связкой для доменной печи». Металлургическая и Транзакции материалов A . 45 (1): 477–481. DOI : 10.1007 / s11661-013-1976-4 .
  49. ^ Targray (27 августа 2020). «Графитовые анодные материалы» . Таргрей .
  50. ^ «Как работают ядерные алмазные батареи - проф Саймон 26 августа 2020 г.» .
  51. ^ «Графит / металлический сплав продлевает срок службы материала в высокотемпературных процессах» . Управление литейным производством и технологии . 2004-06-04 . Проверено 20 июня 2019 .
  52. ^ Харпер, Дуглас. «графит» . Интернет-словарь этимологии .
  53. Риттер, Стив (15 октября 2001 г.). "Карандаши и грифель" . Американское химическое общество .
  54. ^ "История карандаша" . Университет Иллинойса в Урбане-Шампейн . Архивировано из оригинала на 2015-03-17 . Проверено 15 февраля 2013 .
  55. ^ «Растущий спрос на электрический графит со стороны электромобилей и мобильной электроники» (PDF) . galaxycapitalcorp.com. 20 июля 2011 г.
  56. ^ «Модуль 6: СМИ для 2-D Art» (PDF) . Saylor.org . Проверено 2 апреля 2012 года .
  57. ^ Истинный цвет / внешний вид цветов «Графит» или «Smokebox» . List.nwhs.org. Проверено 15 апреля 2013 г.
  58. ^ Эмери, Николас; Херольд, Клэр; Марише, Жан-Франсуа; Лагранж, Филипп (2008). «Синтез и сверхпроводящие свойства CaC 6 » . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (4): 044102. Bibcode : 2008STAdM ... 9d4102E . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/044102 . PMC 5099629 . PMID 27878015 .  
  59. Acheson, EG «Производство графита», патент США 568323 , выданный 29 сентября 1896 г.
  60. RV Lapshin (1998). «Автоматическая боковая калибровка сканеров туннельных микроскопов» (PDF) . Обзор научных инструментов . 69 (9): 3268–3276. Bibcode : 1998RScI ... 69.3268L . DOI : 10.1063 / 1.1149091 . ISSN 0034-6748 .  
  61. RV Lapshin (2019). «Нечувствительная к дрейфу распределенная калибровка сканера зондового микроскопа в нанометровом диапазоне: Реальный режим». Прикладная наука о поверхности . 470 : 1122–1129. arXiv : 1501.06679 . Bibcode : 2019ApSS..470.1122L . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2018.10.149 . ISSN 0169-4332 . S2CID 119275633 .  
  62. ^ Хью О. Пирсон - Справочник по углероду, графиту, алмазам и фуллеренам: обработка, свойства и применение - ISBN публикации Noyes 0-8155-1339-9 
  63. ^ Arregui-Мена, JD; Bodel, W .; и другие. (2016). «Пространственная изменчивость механических свойств Gilsocarbon» . Углерод . 110 : 497–517. DOI : 10.1016 / j.carbon.2016.09.051 .
  64. ^ Arregui Мена, JD; и другие. (2018). «Характеристика пространственной изменчивости свойств материалов Gilsocarbon и NBG-18 с использованием случайных полей» . Журнал ядерных материалов . 511 : 91–108. Bibcode : 2018JNuM..511 ... 91А . DOI : 10.1016 / j.jnucmat.2018.09.008 .
  65. ^ Купер, Джефф. Какой лучший материал для теннисной ракетки? . Tennis.about.com
  66. ^ Yurkewicz, Кэти. «Защита LHC от самого себя» (PDF) . Журнал Симметрия .
  67. ^ Olmec Advanced Materials (2019). «Как графит используется в стекольной и стекловолоконной промышленности» . Проверено 19 января 2019 .
  68. ^ «Обзор минерального сырья 2020» (PDF) . Национальный информационный центр полезных ископаемых . USGS.
  69. ^ Джереми Лоу (2018-05-16). «Westwater Resources приобретает Alabama Graphite» . Проверено 22 февраля 2020 .
  70. ^ "CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям - графит (натуральный)" . www.cdc.gov . Проверено 3 ноября 2015 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • К. Майкл Хоган; Марк Папино; и другие. (18 декабря 1989 г.). Фаза I экологической оценки участка , графитовый завод Эсбери, 2426–2500 Киркхэм-стрит, Окленд, Калифорния, отчет Earth Metrics 10292.001 (отчет).
  • Кляйн, Корнелис; Корнелиус С. Херлбат-младший (1985). Руководство по минералогии: по Дане (20-е изд.). ISBN 978-0-471-80580-9.
  • Тейлор, Гарольд А. (2000). Графит . Финансовые отчеты Financial Times по сырьевым товарам. Лондон: Mining Journal Books ltd. ISBN 978-1-84083-332-4.
  • Тейлор, Гарольд А. (2005). Графит . Промышленные полезные ископаемые и горные породы (7-е изд.). Литтлтон, Колорадо: Общество горных инженеров AIME. ISBN 978-0-87335-233-8.

Внешние ссылки [ править ]

  • Аккумуляторный графит
  • Графит на Minerals.net
  • Минеральные галереи
  • Полезные ископаемые и разведка - карта мировых графитовых рудников и производителей 2012 г.
  • Миндат с локациями
  • гигантские ковалентные структуры
  • Графитовая страница
  • Видео лекция о свойствах графита проф М. Хегги , Университет Сассекса
  • CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям