Из Википедии, бесплатной энциклопедии
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 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 sp 3, и 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 горнодобывающей промышленности, когда канадские месторождения начали становиться 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 (термостойкого) материал начало до 1900 с графитовым тиглем , используемым 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-магнезитовый кирпич, для чего 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 низкими 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 в сталеплавильных конвертерах и электродуговых печах, 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 печи вместо угольно-магнезитовых кирпичей.

Огнеупорная промышленность США и Европы пережила кризис в 2000–2003 годах, когда рынок стали оставался равнодушным, а потребление огнеупоров на тонну стали лежало в основе выкупа компаний и закрытия многих заводов. [ необходима цитата ] Многие закрытия завода 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 форму, запеченные в карбонизации на 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 позаботиться о том, 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 свободно используется 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 при вдыхании, контакте с кожей и 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 переработки графита происходит, когда электроды из синтетического графита либо производятся, либо отрезаны, либо отброшены токарные токарные станки, либо электрод (или что-то другое) используется 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 графита: изделия с наибольшим объемом, такие как угольно-магнезитовые кирпичи, содержащие всего 15–25% графита, обычно содержат слишком мало графита. Однако часть вторичного углемагнезитового кирпича используется как основа для печноремонтных материалов, а также дробленый углемагнезитовый кирпич используется в кондиционерах шлака.Хотя тигли имеют высокое содержание графита, объем тиглей, используемых, а затем повторно используемых, 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-температуры и превращения углерода; обновленная 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 . Financial Times Executive Commodity Reports. 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