Συνθετικός γραφίτης: Γρανίτης: Ένας ολοκληρωμένος οδηγός

Ο συνθετικός γραφίτης είναι επίσης ένας άλλος όρος για τον τεχνητό γραφίτη. Κυκλοφορούν σε πολλούς τύπους και έχουν εξαιρετικές επιδόσεις. Είναι απαραίτητα υλικά με βάση τον άνθρακα για τη βιομηχανική παραγωγή. Στο μέλλον, μπορείτε να δείτε ότι ο συνθετικός γραφίτης μπορεί να εξελιχθεί προς την κατεύθυνση της καινοτομίας και του πρασίνου!

Ορισμός συνθετικού γραφίτη

Ο συνθετικός γραφίτης είναι ένα άμορφο υλικό άνθρακα που έχει συντεθεί και τροποποιηθεί τεχνητά. Συνήθως παράγεται με ανθρακούχες πρώτες ύλες (όπως άνθρακας, πετρελαϊκό κοκ, κ.λπ.) μέσω διεργασιών επεξεργασίας σε υψηλές θερμοκρασίες και γραφίτωσης. Έχει παρόμοια ηλεκτρικά, θερμικά χαρακτηριστικά και χαρακτηριστικά αντίστασης σε υψηλές θερμοκρασίες όπως ο φυσικός γραφίτης, αλλά η καθαρότητα και η δομή μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με τις ανάγκες.

Ιδιότητες συνθετικού γραφίτη

Φυσικές ιδιότητες

Ο συνθετικός γραφίτης έχει εξαιρετική ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα. Είναι ένα πολύ κατάλληλο υλικό για την κατασκευή ηλεκτροδίων, μπαταριών και θερμικής διαχείρισης. Εκτός αυτού, ο συνθετικός γραφίτης είναι σε θέση να αντέχει σε περιβάλλοντα ακραίων υψηλών θερμοκρασιών. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να τον χρησιμοποιήσετε ως πυρίμαχο υλικό και επένδυση κλιβάνων υψηλής θερμοκρασίας στη μεταλλουργική και χημική βιομηχανία. Επιπλέον, η σχετικά χαμηλή πυκνότητά του συμβάλλει στη μείωση του δομικού βάρους. Ταυτόχρονα, διατηρεί υψηλή ειδική επιφάνεια, ενισχύοντας την απόδοσή του σε διαδικασίες κατάλυσης και προσρόφησης.

Χημικές ιδιότητες

Ο συνθετικός γραφίτης έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και χημική σταθερότητα. Για παράδειγμα, αντιστέκεται σε ένα ευρύ φάσμα οξέων, βάσεων και οργανικών διαλυτών. Έτσι, είναι κατάλληλος για χρήση στην κατασκευή επενδύσεων και δεξαμενών αποθήκευσης για χημικό εξοπλισμό. Επιπλέον, ο συνθετικός γραφίτης μπορεί να διατηρήσει τη σταθερότητα της χημικής δομής και να επιδείξει καλή αντοχή στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών, όπως σε φούρνους υψηλής θερμοκρασίας και εξοπλισμό θερμικής επεξεργασίας.

Μηχανικές ιδιότητες

Ο συνθετικός γραφίτης έχει υψηλή αντοχή και σκληρότητα, ώστε να μπορεί να αντέξει μεγάλα μηχανικά φορτία και να αντισταθεί στη φθορά. Αυτό καθιστά τον συνθετικό γραφίτη πολύ χρήσιμο στην κατασκευή μηχανικών εξαρτημάτων, δομικών υλικών και υλικών ανθεκτικών στη φθορά. Ταυτόχρονα, η πλαστικότητα του συνθετικού γραφίτη επιτρέπει την κατασκευή ποικίλων σχημάτων και μεγεθών μέσω διαφορετικών τεχνικών επεξεργασίας, αυξάνοντας την ευελιξία του σε βιομηχανικές εφαρμογές. Η αντοχή του στην τριβή τον καθιστά επίσης ιδανικό για την κατασκευή τακακιών φρένων, σφραγίδων και άλλων υλικών τριβής.

Φυσικός γραφίτης VS συνθετικός γραφίτης

Δομή

Ο φυσικός γραφίτης αποτελείται από ένα μόνο στοιχείο άνθρακα και η κρυσταλλική δομή του ανήκει στο εξαγωνικό κρυσταλλικό σύστημα, το οποίο είναι μια εξαγωνική στρωματοποιημένη δομή.

Ο συνθετικός γραφίτης είναι παρόμοιος με τον πολυκρυσταλλικό στην κρυσταλλογραφία και μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως πολυφασικό υλικό. Μετά τη γραφιτοποίηση, ο συνθετικός γραφίτης έχει πιο ομαλή διάταξη των ατόμων άνθρακα και απόσταση μεταξύ των στρωμάτων σε σχέση με τον φυσικό γραφίτη.

Θερμική αγωγιμότητα

Η θερμική αγωγιμότητα του φυσικού γραφίτη είναι γενικά καλύτερη από εκείνη του συνθετικού γραφίτη και μπορεί θεωρητικά να φτάσει τα 2000 W/m-K, ανάλογα με την καθαρότητα και την κρυσταλλική δομή του γραφίτη. Η στρωματοποιημένη δομή του κάνει τη θερμότητα να διοχετεύεται γρήγορα εντός του στρώματος, οπότε είναι εξαιρετικός σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών.

Η θερμική αγωγιμότητα του συνθετικού γραφίτη κυμαίνεται γενικά μεταξύ μερικών εκατοντάδων και 1000 W/m-K. Αυτό εξαρτάται συχνά από τη διαδικασία παραγωγής και την ποιότητα της πρώτης ύλης.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του φυσικού γραφίτη κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 10^4 και 10^6 S/m, ανάλογα με την κρυσταλλική δομή και την περιεκτικότητά του σε προσμίξεις. Ο φυσικός γραφίτης έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, ιδίως κατά την επίπεδη διεύθυνση, επειδή τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται ελεύθερα μεταξύ των στρωμάτων.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του συνθετικού γραφίτη κυμαίνεται γενικά μεταξύ 10^3 και 10^5 S/m, συνήθως χαμηλότερη από εκείνη του φυσικού γραφίτη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η δομή και ο βαθμός γραφιτοποίησης του συνθετικού γραφίτη μπορεί να μην είναι τόσο τέλειοι όσο εκείνοι του φυσικού γραφίτη, με αποτέλεσμα ορισμένους περιορισμούς στην κίνηση των ηλεκτρονίων.

Διαδικασία παρασκευής συνθετικού γραφίτη

1. Ανάμιξη πρώτων υλών

Επιλέγουμε πετρελαϊκό κοκ, κοκ από βελόνες κ.λπ. που έχουν υψηλή καθαρότητα και καλή κρυσταλλικότητα ως αδρανή. Στη συνέχεια τα αναμιγνύουμε με συνδετικά υλικά όπως άνθρακα, πίσσα, πίσσα κ.λπ. σε ορισμένη αναλογία και τα ζυμώνουμε στον εξοπλισμό ζύμωσης σε θερμοκρασία 150 - 200°C. Με αυτόν τον τρόπο, το συνδετικό υλικό τυλίγεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια των σωματιδίων των αδρανών, σχηματίζοντας μια πλαστική πάστα. Τυπικά, ορίζουμε την πίσσα ως συνδετικό υλικό για τον συνθετικό γραφίτη.

2. Μορφοποίηση

Χύτευση συμπίεσης: Τοποθετούμε την πάστα στο καλούπι και εφαρμόζουμε πίεση 10 - 50MPa για να κάνουμε την πάστα να σχηματίσει το επιθυμητό σχήμα στο καλούπι, όπως μπλοκ, πλάκα κλπ.

Εξώθηση χύτευση: Για προϊόντα όπως τα ηλεκτρόδια, εξάγουμε την πάστα μέσω του καλουπιού ενός εξωθητή για να σχηματίσουμε ένα κυλινδρικό ή άλλο συγκεκριμένο σχήμα πράσινου σώματος.

3. Θερμική επεξεργασία

Εξανθράκωση: Τοποθετούμε το διαμορφωμένο πράσινο τεμάχιο στον κλίβανο ενανθράκωσης. Στη συνέχεια, το θερμαίνουμε στους 800 - 1000 °C με ρυθμό θέρμανσης 1 - 5 °C/min υπό την προστασία αδρανών αερίων όπως άζωτο ή αργό. Κατά τη διαδικασία αυτή, τα μη ανθρακούχα στοιχεία του συνδετικού υλικού διαφεύγουν με τη μορφή αερίου και ο εναπομείνας άνθρακας δεσμεύει περαιτέρω τα σωματίδια του αδρανούς υλικού.

Γραφιτοποίηση: Στη συνέχεια, τοποθετήστε το ανθρακωμένο σώμα σε φούρνο γραφίτωσης και θερμάνετέ το στους 2500 - 3000°C με ρυθμό θέρμανσης 5 - 10 °C/min. Σε αυτή την υψηλή θερμοκρασία, τα άτομα άνθρακα αναδιατάσσονται και η κρυσταλλική δομή μετατοπίζεται σταδιακά σε δομή γραφίτη.

Χρήσεις συνθετικού γραφίτη

- Βιομηχανία μπαταριών:

Οι άνοδοι συνθετικού γραφίτη έχουν υψηλή θεωρητική ειδική χωρητικότητα, καλή σταθερότητα κατά την ανακύκλωση και χαμηλό δυναμικό παρεμβολής λιθίου. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες μπαταρία ιόντων λιθίου προϊόντα, τα οποία διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στη βελτίωση της συνολικής απόδοσης των μπαταριών. Επιπλέον, ο γραφίτης χρησιμοποιείται για την ηλεκτρόλυση της καθόδου των ηλεκτρολυτικών κυψελών για μαγνήσιο, αλουμίνιο κ.λπ.

- Χαλυβουργία και μεταλλουργική βιομηχανία:

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το γραφίτη ως ανθρακικό στη βιομηχανία παραγωγής χάλυβα. Στη διαδικασία παραγωγής χάλυβα σε κλίβανο ηλεκτρικού τόξου, ο γραφίτης ηλεκτρόδιο λειτουργεί ως αγώγιμο ηλεκτρόδιο για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας στο φούρνος, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό τόξο που λιώνει το φορτίο. Έχει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και χημική σταθερότητα. Ως εκ τούτου, μπορεί να αντέξει σκληρές συνθήκες, όπως ισχυρά ρεύματα και διάβρωση σκωρίας σε φούρνους ηλεκτρικού τόξου. Στη σύγχρονη χαλυβουργία, τα ηλεκτρόδια γραφίτη είναι απαραίτητα βασικά υλικά για την παραγωγή χαλύβων υψηλής ποιότητας, όπως οι ειδικοί χάλυβες και οι κραματωμένοι χάλυβες.

- Υλικά τριβής:

Ο γραφίτης χρησιμοποιείται για την κατασκευή συμπλεκτών σε μηχανικά συστήματα μετάδοσης κίνησης, τακάκια φρένων σε αυτοκίνητα και υλικά τριβής λιπαντικών υψηλής θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, η λιπαντικότητα και η αντοχή στη θερμότητα των συνθετικών σκόνη γραφίτη μπορεί να μειώσει το συντελεστή τριβής, να μειώσει τη φθορά. Βελτιώνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής και την απόδοση των υλικών τριβής. Αυτό εξασφαλίζει την κανονική λειτουργία των συστημάτων πέδησης και μετάδοσης κίνησης των αυτοκινήτων, των τρένων και άλλων οχημάτων. Επιπλέον, τα αναδυόμενα συνθετικά τακάκια φρένων με κόκκους γραφίτη είναι πιο εξαιρετικά στην τριβή και την απόδοση πέδησης. Αυτός ο τύπος τακάκια φρένων είναι κατασκευασμένος από σύνθεση ρητίνης και γραφίτη.

- Αποβολή θερμότητας και υλικά φωτισμού:

Στα ηλεκτρονικά ισχύος, όπως τα τρανζίστορ ισχύος, οι ανορθωτές, οι αντιστροφείς κ.λπ., θα χρησιμοποιήσετε φύλλα συνθετικού γραφίτη για την απαγωγή της θερμότητας. Αυτές οι συσκευές παράγουν πολλή θερμότητα όταν λειτουργούν. Ως εκ τούτου, και η καλή απαγωγή θερμότητας βοηθά στη βελτίωση της αξιοπιστίας και της απόδοσης του εξοπλισμού. Εν τω μεταξύ, μειώνει τις αποτυχίες και την υποβάθμιση των επιδόσεων που προκαλούνται από την υπερθέρμανση. Για παράδειγμα, τα φώτα LED θα παράγουν θερμότητα κατά τη διαδικασία εργασίας και αν δεν μπορούν να διαχέουν εγκαίρως τη θερμότητα, αυτό θα επηρεάσει τη φωτεινή απόδοση και τη διάρκεια ζωής των LED. Τα φύλλα συνθετικού γραφίτη μπορούν να συνδεθούν με τα τσιπ LED ή τα υποστρώματα απαγωγής θερμότητας για την αποτελεσματική απαγωγή της θερμότητας. Αυτό εξασφαλίζει την κανονική λειτουργία των συστημάτων φωτισμού LED και βελτιώνει την ποιότητα φωτισμού και τα αποτελέσματα εξοικονόμησης ενέργειας.

- Αεροδιαστημικές και αμυντικές βιομηχανίες:

Με υψηλό σημείο τήξης, ισχυρή αντοχή σε θερμικό σοκ και αντοχή στη διάβρωση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πυρηνικό καύσιμο και ως υλικό επένδυσης σε αερόψυκτους αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον, ο γραφίτης χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή ακροφυσίων για διαστημικούς πυραύλους, εξαρτημάτων αεροδιαστημικών κινητήρων και δομικών υλικών θερμικής μόνωσης.

Εθνική παραγωγή συνθετικού γραφίτη

Η Κίνα είναι ο μεγαλύτερος κατασκευαστής γραφίτη στον κόσμο. Το 2023, η παραγωγή γραφίτη έχει φθάσει τους 2,612 εκατομμύρια τόνους, εκ των οποίων η παραγωγή συνθετικού γραφίτη αντιπροσωπεύει 53,75% και φυσικού γραφίτη αντιπροσωπεύει 46,25%. Οι κινεζικές εξαγωγές και οι καθαρές εξαγωγές συνθετικού γραφίτη συνεχίζουν να αυξάνονται και το εμπορικό πλεόνασμα παρουσιάζει αυξητική τάση.

Το 2021, η αγορά υλικών ανόδου συνθετικού γραφίτη αντιπροσώπευε το 97,58% της αγοράς. Από την κατάσταση της αγοράς, το κύριο εύρος τιμών των προϊόντων μεσαίας κλίμακας στην αγορά ανόδου συνθετικού γραφίτη είναι US$2.700-4.100 ανά τόνο. Μεταξύ αυτών, το κύριο εύρος τιμών των προϊόντων υψηλής ισχύος είναι US$3,700-4,700 ανά τόνο. Το κύριο εύρος τιμών των προϊόντων χαμηλού επιπέδου είναι US$2,100-3,10o ανά τόνο.