Σχετικά με τον πυρολυτικό γραφίτη

Ο πυρολυτικός γραφίτης είναι ένας πολυκρυσταλλικός γραφίτης που παράγεται από την αποσύνθεση ενός αερίου υδρογονάνθρακα. Αυτή η τεχνητή ένωση μοιάζει με γραφίτης. Ωστόσο, έχει πολλές μοναδικές ιδιότητες. Ως αποτέλεσμα, τα άτομα το χρησιμοποιούν σε διάφορες βιομηχανίες για ποικίλες εφαρμογές. Αυτή η δημοσίευση σας παρέχει πλήρη γνώση για τον πυρολυτικό γραφίτη, τα χαρακτηριστικά του και τις εφαρμογές του. Ας ξεκινήσουμε.

Η επισκόπηση της ένωσης πυρολυτικού γραφίτη

Ο πυρολυτικός γραφίτης είναι μια μορφή γραφίτη που παράγεται από την αποσύνθεση ενός αερίου υδρογονανθράκων.

Όταν η θερμοκρασία του αερίου υδρογονανθράκων φτάσει στο στάδιο της αποσύνθεσης σε ατμόσφαιρα κενού, σχηματίζει στρώματα γραφίτη με υψηλό προσανατολισμό.

Αυτό που τον κάνει να διαφέρει από τον συνηθισμένο γραφίτη είναι η κρυσταλλική του δομή. Σε αντίθεση με τον φυσικό γραφίτη, έχει οργανωμένα άτομα άνθρακα. Επιπλέον, είναι εξαιρετικά ανισοτροπική.

Ας μάθουμε για τα χαρακτηριστικά του.

Χαρακτηριστικά/ιδιότητες του πυρολυτικού γραφίτη

Ο πυρολυτικός γραφίτης διαθέτει ένα ευρύ φάσμα χαρακτηριστικών. Λόγω των ακόλουθων ιδιοτήτων, ο γραφίτης αυτός έχει εφαρμογές σε πολυάριθμες βιομηχανίες.

Υψηλή θερμική αγωγιμότητα

Ο πυρολυτικός γραφίτης φημίζεται για την υψηλή θερμική αγωγιμότητά του στο επίπεδο, χάρη στον ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό του.

Σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να φτάσει τα 2000 W/m-K. Αυτή η ιδιότητα καθιστά το υλικό αυτό ιδανικό για προϊόντα όπως οι διαχύτες θερμότητας και οι ψύκτρες.

Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα

Ο πυρολυτικός γραφίτης είναι ανισότροπος, με στρωματοποιημένη δομή. Ως αποτέλεσμα, υποστηρίζει εξαιρετική ροή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα ηλεκτρόνια αυτού του γραφίτη κινούνται εύκολα κατά μήκος των συνδεδεμένων ατόμων άνθρακα.

Ανθεκτικό σε υψηλή θερμοκρασία

Ο πυρολυτικός γραφίτης μπορεί να αντέξει εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Είναι ένας θερμοδυναμικά σταθερός άνθρακας. Ως αποτέλεσμα, διατηρεί τη χημική του δομή σε υψηλές θερμοκρασίες. Η ένωση λειτουργεί άψογα ακόμη και σε θερμοκρασία 3500°C σε μη οξειδωτική ατμόσφαιρα.

Χημική σταθερότητα

Ο πυρολυτικός γραφίτης είναι χημικά αδρανής. Δεν αντιδρά στα περισσότερα οξέα, αλκάλια και διαλύτες σε θερμοκρασία δωματίου. Μπορεί να αντισταθεί σε ένα ευρύ φάσμα χημικών επιθέσεων. Ως αποτέλεσμα, οι πυρηνικοί μηχανικοί τον χρησιμοποιούν σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Μηχανική αντοχή

Ενώ ο πυρολυτικός γραφίτης είναι ελαφρύς σε βάρος, έχει αξιοπρεπή μηχανική αντοχή. Η αντοχή του σε εφελκυσμό στο επίπεδο κυμαίνεται μεταξύ 20 και 40 MPa.

Συντελεστής τριβής

Ο πυρολυτικός γραφίτης έχει αμελητέο συντελεστή τριβής, ιδιαίτερα σε συνθήκες χωρίς λίπανση. Κατά συνέπεια, οι ιδιώτες τον χρησιμοποιούν σε εφαρμογές όπου η μειωμένη τριβή είναι ζωτικής σημασίας.

Μπορείτε να παρατηρήσετε τη χρήση του σε στεγανοποιήσεις, ρουλεμάν και διάφορα ολισθαίνοντα εξαρτήματα.

Πώς παρασκευάζεται ο πυρολυτικός γραφίτης;

Ο πυρολυτικός γραφίτης παράγεται μέσω μιας διαδικασίας χημικής εναπόθεσης ατμών. Οι μηχανικοί εναποθέτουν άτομα άνθρακα σε ένα υπόστρωμα σε ακραίες θερμοκρασίες σε λεπτά στρώματα.

Ας μάθουμε την πλήρη διαδικασία βήμα προς βήμα.

Επιλογή πηγής υδρογονανθράκων

Πρώτον, οι κατασκευαστές επιλέγουν ένα αέριο που περιέχει άνθρακα για την παραγωγή πυρολυτικού γραφίτη. Το αέριο αυτό μπορεί να είναι μεθάνιο, ακετυλένιο και προπάνιο. Λειτουργεί ως πηγή άνθρακα για τη δημιουργία δομών γραφίτη.

Σχηματισμός του υποστρώματος

Μόλις επιλεγεί το αέριο, είναι καιρός να βρεθεί το κατάλληλο υπόστρωμα. Γενικά, οι κατασκευαστές προτιμούν γραφίτη για υπόστρωμα. Εξάλλου, μπορεί να αντέξει υψηλές θερμοκρασίες. Το υπόστρωμα αφήνει τα άτομα άνθρακα να εγκατασταθούν σε μια γραφιτική δομή.

Διαδικασία CVD (χημική εναπόθεση ατμών)

Το αέριο υδρογονάνθρακα απελευθερώνεται σε κλίβανο. Η θερμοκρασία του κλιβάνου κυμαίνεται μεταξύ 200 και 300°C.

Αυτή η ακραία θερμοκρασία αποσυνθέτει το αέριο σε συστατικά άνθρακα και υδρογόνου. Το υδρογόνο απελευθερώνεται ως απόβλητο προϊόν, ενώ τα άτομα άνθρακα συσσωρεύονται στην επιφάνεια του υποστρώματος.

Κατάθεση

Η εναπόθεση των ατόμων άνθρακα γίνεται σε λεπτό στρώμα λόγω ελεγχόμενης πίεσης. Αυτά τα στρώματα ατόμων άνθρακα δημιουργούν μια διατεταγμένη δομή πυρολυτικού γραφίτη.

Δεδομένου ότι τα άτομα είναι καλά ευθυγραμμισμένα σε στρώματα, ο πυρολυτικός γραφίτης γίνεται ανισότροπος.

Ψύξη

Η εναπόθεση ατόμων άνθρακα στρώμα προς στρώμα ακολουθείται από μια διαδικασία ψύξης.

Τώρα οι κατασκευαστές μπορούν να εξάγουν τον γραφίτη από τον κλίβανο για να του δώσουν το επιθυμητό σχήμα

.

Ολόκληρη η διαδικασία παραγωγής υπόκειται σε αυστηρό ποιοτικό έλεγχο. Εξασφαλίζει ότι ο πυρολυτικός γραφίτης έχει τις απαραίτητες ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες.

Εφαρμογές 

Πυρηνικοί αντιδραστήρες

Οι εταιρείες ηλεκτροπαραγωγής και πυρηνικής ενέργειας παγκοσμίως χρησιμοποιούν τον πυρολυτικό γραφίτη ως υλικό ρυθμιστή σε σχέδια πυρηνικών αντιδραστήρων.

Το AGR και οι αερόψυκτοι αντιδραστήρες MAGNOX του Ηνωμένου Βασιλείου είναι ένα τέλειο παράδειγμα.

Καθώς ο πυρολυτικός γραφίτης είναι μια ανισοτροπική μορφή άνθρακα, χρησιμοποιείται σε αντιδραστήρες HTGR (αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας με ψύξη αερίου) και σε αντιδραστήρες ταχείας λειτουργίας. Η αντοχή του γραφίτη έναντι θερμικών σοκ και χημικών ουσιών τον καθιστά κατάλληλο για την πυρηνική βιομηχανία.

Ως συντονιστής, ο γραφίτης επιβραδύνει τα νετρόνια κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων σχάσης, βοηθώντας τον αντιδραστήρα να λειτουργεί τέλεια.

Οι πυρηνικοί μηχανικοί χρησιμοποιούν επίσης τον πυρολυτικό γραφίτη για την κατασκευή δομικών υλικών. Επικαλύπτει τα σωματίδια των πυρηνικών καυσίμων.

Στους αερόψυκτους αντιδραστήρες, το καύσιμο εγκιβωτίζεται σε τριδομικά-ισοτροπικά σωματίδια. Η επικάλυψη αυτού του γραφίτη προστατεύει το καύσιμο.

Λειτουργεί επίσης ως φράγμα και προστατεύει τους αντιδραστήρες από ραδιενεργά υλικά. Αυτός ο γραφίτης δεν χάνει τη δομική του ακεραιότητα ακόμη και σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 1.000°C.

Μπαταρίες

Οι κατασκευαστές μπαταριών χρησιμοποιούν τον πυρολυτικό γραφίτη με πολλαπλούς τρόπους. Έχει μεγάλο ρόλο στις σύγχρονες τεχνολογίες μπαταριών. 

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν επίσης αυτόν τον γραφίτη λόγω της εξαιρετικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας και της θερμικής σταθερότητάς του.

Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούν αυτόν τον γραφίτη ως ξενιστή για τα ιόντα λιθίου κατά τους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης.

Επιπλέον, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν αυτόν τον γραφίτη ως αρνητικό ηλεκτρόδιο σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου.

Η στρωματοποιημένη δομή του πυρολυτικού γραφίτη επιτρέπει στα ιόντα λιθίου να παρεμβάλλονται μεταξύ των στρωμάτων του. Ως αποτέλεσμα, δημιουργεί έναν αντιστρεπτό μηχανισμό αποθήκευσης ενέργειας.

Σε αντίθεση με άλλα υλικά ανόδου, αυτή η μορφή γραφίτη μπορεί να αντέξει υψηλές θερμοκρασίες και χημικές αντιδράσεις. Βοηθά τη μπαταρία να λειτουργεί σε ακραίες συνθήκες. Τέτοιες μπαταρίες είναι κοινές στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και στην αεροδιαστημική.

Τεχνολογία κυψελών καυσίμου

Παίζει καθοριστικό ρόλο στην τεχνολογία κυψελών καυσίμου. Τα φύλλα πυρολυτικού γραφίτη είναι ένα καλό παράδειγμα.

Αυτά τα φύλλα στην κυψέλη καυσίμου διατηρούν τη θερμοκρασία και αποβάλλουν τη θερμότητα των αποβλήτων. Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου με υψηλές θερμοκρασίες εξαρτώνται από αυτόν τον γραφίτη για τη διαχείριση της θερμότητας.

Τρανζίστορ γραφενίου

Το τρανζίστορ γραφενίου είναι μια συσκευή νανοκλίμακας που χρησιμοποιείται σε συσκευές ασύρματης επικοινωνίας, ηλεκτρονικά υφάσματα, συστήματα ραντάρ και αναδιπλούμενα smartphones.

Το τρανζίστορ χρησιμοποιεί γραφένιο ως ημιαγώγιμο υλικό. Ο πυρολυτικός γραφίτης παίζει σημαντικό ρόλο στην παραγωγή γραφενίου. Χρησιμεύει ως πρόδρομο υλικό για την παραγωγή γραφενίου.

Ο γραφίτης εξασφαλίζει επίσης αποτελεσματική διαχείριση της θερμότητας στα τρανζίστορ γραφενίου.

Ακροφύσιο πυραύλου

Οι επιστήμονες πυραύλων χρησιμοποιούν πυρολυτικό γραφίτη στα ακροφύσια πυραύλων λόγω της εξαιρετικής δομικής ακεραιότητας και των θερμικών ιδιοτήτων του.

Ο λαιμός και οι θάλαμοι του πυραύλου με επικάλυψη πυρολυτικού γραφίτη μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 3.000°C. Επιπλέον, αυτός ο γραφίτης δεν διαβρώνεται από τα καυτά αέρια που εκτοξεύονται από το ακροφύσιο.

Το Εργαστήριο Πυραυλικής Πρόωσης της Πολεμικής Αεροπορίας χρησιμοποίησε επίσης ένθετα λαιμού με επικάλυψη πυρολυτικού γραφίτη στον πύραυλό του το 1974.

Ιατρικά διαγνωστικά εργαλεία

Μπορείτε επίσης να παρατηρήσετε τη χρήση πυρολυτικού γραφίτη σε πολυάριθμο διαγνωστικό εξοπλισμό.

Ελαχιστοποιεί το πεδίο των ανομοιογενειών στα μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας. Ως εκ τούτου, βελτιώνει φυσικά τη σαφήνεια και τη λεπτομέρεια των μαγνητικών πεδίων.

Λόγω της βιοσυμβατότητάς της, η ένωση γραφίτη χρησιμοποιείται επίσης σε εξαρτήματα βηματοδοτών.

Ο πυρολυτικός γραφίτης δεν αντιδρά με τους ιστούς και τα υγρά του σώματος. Κατά συνέπεια, δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για επιπλοκές.

Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες βοηθούν στον έλεγχο της χοληστερόλης και της γλυκόζης. Γνωρίζατε ότι αυτοί οι αισθητήρες χρησιμοποιούν επίσης πυρολυτικό γραφίτη;

Αυτή η μορφή γραφίτη διαθέτει εξαιρετικά αγώγιμη επιφάνεια. Ως εκ τούτου, διασφαλίζει επαρκή μεταφορά ηλεκτρονίων και παρέχει αξιόπιστη ανάγνωση κάθε φορά.

Επιπλέον, η ανθεκτική στη διάβρωση ικανότητά του βοηθά τους ηλεκτροχημικούς αισθητήρες να αντέχουν σε διαφορετικά βιολογικά περιβάλλοντα.

Ηλεκτροχημική

Η εξαιρετική χημική σταθερότητα και η ηλεκτρική αγωγιμότητα καθιστούν τον πυρολυτικό γραφίτη κατάλληλο για διάφορες ηλεκτροχημικές εφαρμογές. Χρησιμεύει ως υλικό ηλεκτροδίων σε διάφορα ηλεκτροχημικά κύτταρα, όπως πυκνωτές και μπαταρίες.

Αυτός ο γραφίτης υποστηρίζει τη γρήγορη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ του ηλεκτροδίου και του αναλύτη. Ως αποτέλεσμα, βοηθά στην ανίχνευση των νευροδιαβιβαστών.

Σωλήνες ακτίνων Χ

Ένας σωλήνας ακτίνων Χ χρησιμοποιείται στη βιομηχανική επιθεώρηση και στην ιατρική απεικόνιση. Αυτοί οι σωλήνες χρησιμοποιούν πυρολυτικό γραφίτη ως υλικό στήριξης της ανόδου στόχου. Η άνοδος αποσκοπεί στη μετατροπή της κινητικής ενέργειας των επιταχυνόμενων ηλεκτρονίων σε ακτίνες Χ.

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η άνοδος μπορεί να υπερθερμανθεί. Ευτυχώς, η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του πυρολυτικού γραφίτη διαχέει τη θερμότητα που παράγεται κατά την παραγωγή ακτίνων Χ. Ως εκ τούτου, αυξάνει τη διάρκεια ζωής του σωλήνα.

Φως λέιζερ

Αρκετές εταιρείες χρησιμοποιούν πυρολυτικό γραφίτη σε συστήματα φωτισμού με λέιζερ. Αυτή η ένωση διαθέτει ιδιαίτερες οπτικές και θερμικές ιδιότητες που της επιτρέπουν να αντέχει την έντονη δέσμη λέιζερ.

Στο 2012, μια ερευνητική ομάδα στην Ιαπωνία απέδειξε ότι ο πυρολυτικός γραφίτης ανταποκρίνεται στο φως λέιζερ. Διερεύνησαν επίσης ότι η ένωση ανταποκρίνεται στο φυσικό ηλιακό φως κινούμενη προς την κατεύθυνση της κλίσης του πεδίου.

Οι εκτοξευτήρες ακτίνων λέιζερ χρησιμοποιούν αυτόν τον γραφίτη για την απορρόφηση της ενέργειας του λέιζερ και την ταχεία αποβολή της θερμότητας. Η συσκευή χρησιμοποιείται για την απορρόφηση της υπερβολικής ενέργειας από τις ακτίνες λέιζερ.

Τα συστήματα χάραξης με λέιζερ χρησιμοποιούν επίσης πυρολυτικό γραφίτη ως υπόστρωμα. Δεδομένου ότι αυτός ο γραφίτης είναι ανθεκτικός στην αφαίρεση με λέιζερ, εξασφαλίζει ακριβή σήμανση και κοπή με λέιζερ.

Επιπλέον, μπορείτε επίσης να παρατηρήσετε τη χρήση κατόπτρων πυρολυτικού γραφίτη σε ισχυρές διατάξεις λέιζερ. Αυτά τα κάτοπτρα αντανακλούν ακτίνες λέιζερ χωρίς να επηρεάζονται από υψηλές θερμοκρασίες.

Συμπέρασμα

Αυτός είναι ένας αναλυτικός οδηγός για τον πυρολυτικό γραφίτη. Λαμβάνοντας υπόψη τα πάντα μαζί, μπορούμε να πούμε ότι αυτή η μορφή γραφίτη είναι ένα πολύπλευρο υλικό. Οι ανισοτροπικές ηλεκτρικές του ιδιότητες, η θερμική του αγωγιμότητα και η αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες τον καθιστούν ιδανικό για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. 

Οι διάφορες βιομηχανίες το χρησιμοποιούν με διαφορετικό τρόπο. Τα επόμενα χρόνια, μπορεί να δούμε τη χρήση της σε διάφορες άλλες σύγχρονες τεχνολογίες και καινοτομίες.

Ελπίζουμε ότι αυτός ο περιεκτικός οδηγός θα σας παράσχει επαρκείς πληροφορίες σχετικά με τον πυρολυτικό γραφίτη.