الجرافيت الاصطناعي: دليل شامل

الجرافيت الاصطناعي هو أيضاً مصطلح آخر للجرافيت الاصطناعي. وهي تأتي في العديد من الأنواع وتتمتع بأداء ممتاز. وهي مواد كربونية لا غنى عنها للإنتاج الصناعي. في المستقبل، يمكنك أن ترى أن الجرافيت الاصطناعي قد يتطور نحو الابتكار والتخضير!

تعريف الجرافيت الصناعي تعريف الجرافيت الصناعي

الجرافيت الاصطناعي عبارة عن مادة كربون غير متبلور تم تصنيعه وتعديله صناعياً. وعادةً ما يتم إنتاجه باستخدام مواد خام كربونية (مثل الفحم وفحم الكوك البترولي وما إلى ذلك) من خلال عمليات المعالجة بالحرارة العالية والجرافيت. ويتمتع بخصائص مقاومة كهربائية وحرارية ودرجة حرارة عالية مماثلة لخصائص الجرافيت الطبيعي، ولكن يمكن تغيير النقاء والبنية حسب الحاجة.

خصائص الجرافيت الاصطناعي

الخصائص الفيزيائية

يتميز الجرافيت الاصطناعي بتوصيل كهربائي وحراري ممتاز. وهو مادة مناسبة جدًا لصنع الأقطاب الكهربائية والبطاريات والإدارة الحرارية. إلى جانب ذلك، فإن الجرافيت الاصطناعي قادر على تحمل البيئات ذات درجات الحرارة العالية للغاية. وهذا يعني أنه يمكنك استخدامه كمادة حرارية وبطانة أفران عالية الحرارة في الصناعات المعدنية والكيميائية. علاوة على ذلك، تساعد كثافته المنخفضة نسبيًا على تقليل الوزن الهيكلي. وفي الوقت نفسه، يحافظ في الوقت نفسه على مساحة سطح محددة عالية، مما يعزز من أدائه في عمليات الحفز والامتصاص.

الخواص الكيميائية

يتميز الجرافيت الصناعي بمقاومة ممتازة للتآكل والاستقرار الكيميائي. على سبيل المثال، فهو يقاوم مجموعة واسعة من الأحماض والقواعد والمذيبات العضوية. لذلك فهو مناسب للاستخدام في تصنيع البطانات وخزانات التخزين للمعدات الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للجرافيت الاصطناعي الاحتفاظ بثبات التركيب الكيميائي وإظهار مقاومة جيدة للأكسدة في درجات الحرارة العالية. وهذا مهم بشكل خاص في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، كما هو الحال في الأفران عالية الحرارة ومعدات المعالجة الحرارية.

الخواص الميكانيكية

يتميز الجرافيت الصناعي بقوة وصلابة عالية بحيث يمكنه تحمل الأحمال الميكانيكية الكبيرة ومقاومة التآكل. وهذا يجعل الجرافيت الاصطناعي مفيدًا جدًا في تصنيع المكونات الميكانيكية والمواد الإنشائية والمواد المقاومة للتآكل. وفي الوقت نفسه، تسمح مرونة الجرافيت الصناعي بتحويله إلى مجموعة متنوعة من الأشكال والأحجام من خلال تقنيات معالجة مختلفة، مما يزيد من مرونته في التطبيقات الصناعية. كما أن مقاومته للتآكل تجعله مثاليًا لتصنيع وسادات الفرامل وموانع التسرب ومواد الاحتكاك الأخرى.

الجرافيت الطبيعي مقابل الجرافيت الصناعي

الهيكل

يتكون الجرافيت الطبيعي من عنصر كربون مفرد، وينتمي هيكله البلوري إلى النظام البلوري السداسي، وهو هيكل سداسي الطبقات.

ويشبه الجرافيت الاصطناعي الجرافيت متعدد البلورات في علم البلورات، ويمكن اعتباره أيضًا مادة متعددة الأطوار. بعد الجرافيت، يتميز الجرافيت الاصطناعي بترتيب أكثر انتظامًا لذرات الكربون وتباعد الطبقات البينية مقارنةً بالجرافيت الطبيعي.

التوصيل الحراري

إن الموصلية الحرارية للجرافيت الطبيعي أفضل بشكل عام من الجرافيت الاصطناعي، ويمكن أن تصل نظريًا إلى 2000 واط/م-ك حسب نقاء الجرافيت وبنيته البلورية. يجعل هيكله الطبقي الحرارة تجري بسرعة داخل الطبقة، لذا فهو ممتاز في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

تتراوح الموصلية الحرارية للجرافيت الاصطناعي بشكل عام بين بضع مئات و1000 واط/م-ك. ويعتمد ذلك غالبًا على عملية الإنتاج وجودة المادة الخام.

التوصيل الكهربائي

تتراوح التوصيلية الكهربية للجرافيت الطبيعي عادةً بين 10^4 و10^6 S/متر، ويرتبط ذلك بتركيبته البلورية ومحتواه من الشوائب. ويتميز الجرافيت الطبيعي بتوصيلية كهربائية عالية، خاصة في الاتجاه المستوي، لأن الإلكترونات يمكن أن تتحرك بحرية بين الطبقات.

تتراوح الموصلية الكهربائية للجرافيت الاصطناعي بشكل عام بين 10^3 و10^5 S/متر، وعادة ما تكون أقل من الجرافيت الطبيعي. ويرجع السبب في ذلك إلى أن بنية الجرافيت الاصطناعي ودرجة جرافيته قد لا تكون مثالية مثل الجرافيت الطبيعي، مما يؤدي إلى بعض القيود على حركة الإلكترونات.

عملية تصنيع الجرافيت الاصطناعي

1. خلط المواد الخام

نحن نختار فحم الكوك البترولي وفحم الكوك الإبرة، وما إلى ذلك التي تتمتع بدرجة نقاء عالية وبلورة جيدة كمواد مجمعة. ثم نقوم بخلطها مع مواد رابطة مثل الفحم والقطران والقار والزفت وما إلى ذلك بنسبة معينة ونعجنها في معدات العجن عند درجة حرارة 150 - 200 درجة مئوية. وبهذه الطريقة، يتم تغليف المادة الرابطة بالتساوي على سطح جزيئات الركام، مما يشكل عجينة بلاستيكية. وعادةً ما نعرّف الزفت على أنه مادة رابطة للجرافيت الصناعي.

2. صب القوالب

القولبة بالضغط: نضع العجينة في القالب ونطبق ضغطًا يتراوح بين 10 و50 ميجا باسكال لجعل العجينة تتشكل بالشكل المطلوب في القالب، مثل الكتلة أو اللوح أو ما إلى ذلك.

البثق القولبة: بالنسبة للمنتجات مثل الأقطاب الكهربائية، نقوم ببثق العجينة من خلال قالب الطارد لتشكيل شكل أسطواني أو أي شكل آخر محدد للجسم الأخضر.

3. المعالجة الحرارية

الكربنة: نضع البليت الأخضر المشكل في فرن الكربنة. بعد ذلك، نقوم بتسخينه إلى 800 - 1000 درجة مئوية بمعدل تسخين يتراوح بين 1 - 5 درجات مئوية/الدقيقة تحت حماية الغازات الخاملة مثل النيتروجين أو الأرجون. في هذه العملية، تتسرب العناصر غير الكربونية في المادة الرابطة في شكل غاز، ويزيد الكربون المتبقي من ربط الجسيمات الكلية.

الرسم البياني: ثم يوضع الجسم المكربن في فرن الجرافيت وتسخينه إلى 2500 - 3000 درجة مئوية بمعدل تسخين يتراوح بين 5 - 10 درجات مئوية/الدقيقة. عند درجة الحرارة المرتفعة هذه، يُعاد ترتيب ذرات الكربون وتتحول البنية البلورية تدريجيًا إلى بنية جرافيت.

استخدامات الجرافيت الاصطناعي

- صناعة البطاريات:

تتمتع أنودات الجرافيت الاصطناعية بقدرة محددة نظرية عالية، وثبات جيد في التدوير، وإمكانات منخفضة لإقحام الليثيوم. وتستخدم على نطاق واسع في مختلف بطارية ليثيوم أيون التي تلعب دورًا حيويًا في تحسين الأداء العام للبطاريات. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم الجرافيت في التحليل الكهربي لكاثود الخلايا الإلكتروليتية للمغنيسيوم والألومنيوم وغيرها.

- صناعة الصلب والصناعات المعدنية:

يمكنك استخدام الجرافيت كمادة كربونية في صناعة الصلب. في عملية صناعة الصلب في فرن القوس الكهربائي، فإن الجرافيت قطب كهربائي بمثابة قطب كهربائي موصل لنقل الطاقة الكهربائية إلى الفرنمما يخلق قوسًا كهربائيًا يذيب الشحنة. ويتميز بتوصيل كهربائي جيد ومقاومة درجات الحرارة العالية والاستقرار الكيميائي. لذلك يمكنه تحمل الظروف القاسية مثل التيارات القوية وتآكل الخبث في أفران القوس الكهربائي. في صناعة الصلب الحديثة، تُعد أقطاب الجرافيت مواد رئيسية لا غنى عنها لإنتاج الفولاذ عالي الجودة مثل الفولاذ الخاص وسبائك الفولاذ.

- مواد الاحتكاك:

يُستخدم الجرافيت في تصنيع القوابض في أنظمة نقل الحركة الميكانيكية، ووسادات المكابح في السيارات، ومواد الاحتكاك في درجات الحرارة العالية. على سبيل المثال، فإن قابلية التشحيم ومقاومة الحرارة في المواد الاصطناعية مسحوق الجرافيت يمكن أن يقلل من معامل الاحتكاك، ويقلل من التآكل. وبالتالي تحسين عمر الخدمة وأداء مواد الاحتكاك. وهذا يضمن التشغيل العادي لأنظمة الكبح ونقل الحركة في السيارات والقطارات والمركبات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر وسادات الفرامل المصنوعة من حبيبات الجرافيت الاصطناعية الناشئة أكثر تميزًا في الاحتكاك وأداء الكبح. هذا النوع من وسادة الفرامل مصنوع من الراتنج وتركيب الجرافيت.

- تبديد الحرارة ومواد الإضاءة:

في إلكترونيات الطاقة مثل ترانزستورات الطاقة والمقومات والعاكسات وما إلى ذلك، سوف تستخدم صفائح الجرافيت الاصطناعية لتبديد الحرارة. تولد هذه الأجهزة الكثير من الحرارة عندما تعمل. وبالتالي، يساعد تبديد الحرارة الجيد على تحسين موثوقية وكفاءة المعدات. وفي الوقت نفسه، يقلل من الأعطال وتدهور الأداء الناجم عن ارتفاع درجة الحرارة. على سبيل المثال، سوف تولد مصابيح LED الحرارة أثناء عملية التشغيل، وإذا لم تتمكن من تبديد الحرارة في الوقت المناسب، فسيؤثر ذلك على كفاءة الإضاءة وعمر LED. يمكن إرفاق صفائح الجرافيت الاصطناعية برقائق LED أو ركائز تبديد الحرارة لتبديد الحرارة بشكل فعال. وهذا يضمن التشغيل الطبيعي لأنظمة إضاءة LED، وتحسين جودة الإضاءة وتأثيرات توفير الطاقة.

- صناعات الطيران والفضاء والدفاع:

مع درجة انصهار عالية، ومقاومة قوية للصدمات الحرارية، ومقاومة للتآكل. ويمكن استخدامه كوقود نووي وكمادة تكسية في المفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم الجرافيت أيضًا في تصنيع فوهات الصواريخ الفضائية، وأجزاء المحركات الفضائية، والمواد الهيكلية للعزل الحراري.

إنتاج الجرافيت الصناعي الوطني

الصين هي أكبر مصنع للجرافيت في العالم. في عام 2023، وصل إنتاج الجرافيت إلى 2.612 مليون طن، يمثل إنتاج الجرافيت الاصطناعي منها 53.751 تيرابايت 3 طن والجرافيت الطبيعي 46.251 تيرابايت 3 طن. تستمر صادرات الصين وصادراتها الصافية من الجرافيت الاصطناعي في النمو، ويظهر الفائض التجاري اتجاهًا متزايدًا.

في عام 2021، استحوذ سوق مواد أنود الجرافيت الاصطناعية على 97.58% من السوق. من حالة السوق، فإن النطاق السعري السائد للمنتجات متوسطة المدى في سوق أنود الجرافيت الاصطناعي هو $2,700T-4,100T للطن الواحد. من بينها، النطاق السعري السائد لمنتجات الطاقة الراقية هو US$3,700-4,700 للطن الواحد. النطاق السعري السائد للمنتجات منخفضة الجودة هو US$2,100T-3,10o للطن.