Grafite sintetica: Una guida completa

La grafite sintetica è anche un altro termine per indicare la grafite artificiale. Sono disponibili in molti tipi e hanno prestazioni eccellenti. Sono materiali a base di carbonio indispensabili per la produzione industriale. In futuro, è possibile che la grafite sintetica si sviluppi verso l'innovazione e l'ecologia!

Definizione di grafite sintetica

La grafite sintetica è un materiale di carbonio amorfo sintetizzato e modificato artificialmente. Di solito viene prodotta con materie prime carboniose (come carbone, coke di petrolio, ecc.) attraverso processi di trattamento ad alta temperatura e grafitizzazione. Ha caratteristiche di resistenza elettrica, termica e alle alte temperature simili a quelle della grafite naturale, ma la purezza e la struttura possono essere modificate a seconda delle esigenze.

Proprietà della grafite sintetica

Proprietà fisiche

La grafite sintetica ha un'eccellente conducibilità elettrica e termica. È un materiale molto adatto per la produzione di elettrodi, batterie e gestione termica. Inoltre, la grafite sintetica è in grado di resistere ad ambienti ad alta temperatura. Ciò significa che può essere utilizzata come materiale refrattario e rivestimento di forni ad alta temperatura nell'industria metallurgica e chimica. Inoltre, la sua densità relativamente bassa contribuisce a ridurre il peso strutturale. Allo stesso tempo, mantiene un'elevata area superficiale specifica, migliorando le sue prestazioni nei processi di catalisi e adsorbimento.

Proprietà chimiche

La grafite sintetica ha un'eccellente resistenza alla corrosione e stabilità chimica. Ad esempio, resiste a un'ampia gamma di acidi, basi e solventi organici. È quindi adatta alla produzione di rivestimenti e serbatoi di stoccaggio per apparecchiature chimiche. Inoltre, la grafite sintetica può mantenere la stabilità della struttura chimica e presentare una buona resistenza all'ossidazione ad alte temperature. Questo aspetto è particolarmente importante nelle applicazioni ad alta temperatura, come ad esempio nei forni ad alta temperatura e nelle apparecchiature per il trattamento termico.

Proprietà meccaniche

La grafite sintetica ha un'elevata forza e durezza, per cui può sopportare grandi carichi meccanici e resistere all'usura. Ciò rende la grafite sintetica molto utile nella produzione di componenti meccanici, materiali strutturali e materiali resistenti all'usura. Allo stesso tempo, la plasticità della grafite sintetica ne consente la realizzazione in una varietà di forme e dimensioni attraverso diverse tecniche di lavorazione, aumentandone la flessibilità nelle applicazioni industriali. La sua resistenza all'abrasione la rende inoltre ideale per la produzione di pastiglie per freni, guarnizioni e altri materiali di attrito.

Grafite naturale VS grafite sintetica

Struttura

La grafite naturale è composta da un singolo elemento di carbonio e la sua struttura cristallina appartiene al sistema cristallino esagonale, che è una struttura a strati esagonale.

La grafite sintetica è simile al policristallino nella cristallografia e può anche essere vista come un materiale multifase. Dopo la grafitizzazione, la grafite sintetica presenta una disposizione più ordinata degli atomi di carbonio e una maggiore spaziatura tra gli strati rispetto alla grafite naturale.

Conducibilità termica

La conducibilità termica della grafite naturale è generalmente migliore di quella della grafite sintetica e può teoricamente raggiungere i 2000 W/m-K, a seconda della purezza e della struttura cristallina della grafite. La sua struttura a strati fa sì che il calore venga condotto rapidamente all'interno dello strato, per cui è eccellente nelle applicazioni ad alta temperatura.

La conducibilità termica della grafite sintetica è generalmente compresa tra alcune centinaia e 1000 W/m-K. Spesso dipende dal processo di produzione e dalla qualità della materia prima.

Conducibilità elettrica

La conducibilità elettrica della grafite naturale è tipicamente compresa tra 10^4 e 10^6 S/m, in relazione alla sua struttura cristallina e al contenuto di impurità. La grafite naturale ha un'elevata conducibilità elettrica, soprattutto nella direzione del piano, perché gli elettroni possono muoversi liberamente tra gli strati.

La conducibilità elettrica della grafite sintetica è generalmente compresa tra 10^3 e 10^5 S/m, di solito inferiore a quella della grafite naturale. Questo perché la struttura e il grado di grafitizzazione della grafite sintetica possono non essere perfetti come quelli della grafite naturale, con conseguenti limitazioni al movimento degli elettroni.

Processo di produzione della grafite sintetica

1. Miscelazione delle materie prime

Come aggregati selezioniamo coke di petrolio, needle coke, ecc. di elevata purezza e buona cristallinità. Poi li mescoliamo con leganti come carbone, catrame, pece, ecc. in una certa proporzione e li impastiamo in un'apparecchiatura di impastamento a una temperatura di 150 - 200°C. In questo modo, il legante viene avvolto uniformemente sulla superficie delle particelle di aggregato, formando una pasta plastica. In genere, si definisce la pece come legante per la grafite sintetica.

2. Stampaggio

Stampaggio a compressione: Mettiamo la pasta nello stampo e applichiamo una pressione di 10-50MPa per far sì che la pasta assuma la forma desiderata nello stampo, come ad esempio un blocco, una piastra, ecc.

Estrusione modanatura: Per prodotti come gli elettrodi, estrudiamo la pasta attraverso lo stampo di un estrusore per formare un corpo verde cilindrico o di altra forma specifica.

3. Trattamento termico

Carbonizzazione: Mettiamo la billetta verde sagomata nel forno di carbonizzazione. Quindi, la riscaldiamo a 800-1000°C a una velocità di riscaldamento di 1-5 °C/min, sotto la protezione di gas inerti come azoto o argon. In questo processo, gli elementi non carboniosi del legante fuoriescono sotto forma di gas e il carbonio rimanente lega ulteriormente le particelle dell'aggregato.

Grafitizzazione: Posizionare quindi il corpo carbonizzato in un forno di grafitizzazione e riscaldarlo a 2500-3000°C a una velocità di riscaldamento di 5-10 °C/min. A questa temperatura elevata, gli atomi di carbonio si riorganizzano e la struttura cristallina si trasforma gradualmente in una struttura di grafite.

Usi della grafite sintetica

- Industria delle batterie:

Gli anodi di grafite sintetica hanno un'elevata capacità specifica teorica, una buona stabilità ai cicli e un basso potenziale di intercalazione del litio. Sono ampiamente utilizzati in vari batteria agli ioni di litio che svolgono un ruolo fondamentale nel migliorare le prestazioni complessive delle batterie. Inoltre, la grafite viene utilizzata per elettrolizzare il catodo delle celle elettrolitiche per magnesio, alluminio, ecc.

- Industria siderurgica e metallurgica:

La grafite può essere utilizzata come combustibile nell'industria siderurgica. Nel processo di fabbricazione dell'acciaio con forno elettrico ad arco, la grafite elettrodo agisce come un elettrodo conduttivo per trasmettere energia elettrica alla fornocreando un arco elettrico che fonde la carica. Ha una buona conducibilità elettrica, resistenza alle alte temperature e stabilità chimica. Per questo motivo è in grado di resistere a condizioni difficili come le forti correnti e l'erosione delle scorie nei forni elettrici ad arco. Nella moderna industria siderurgica, gli elettrodi di grafite sono materiali chiave indispensabili per la produzione di acciai di alta qualità, come gli acciai speciali e gli acciai legati.

- Materiali di attrito:

La grafite è utilizzata nella produzione di frizioni nei sistemi di trasmissione meccanica, di pastiglie dei freni nelle automobili e di materiali di attrito per lubrificanti ad alta temperatura. Ad esempio, la lubrificazione e la resistenza al calore dei materiali sintetici polvere di grafite possono ridurre il coefficiente di attrito e l'usura. Migliorando così la durata e le prestazioni dei materiali di attrito. Questo garantisce il normale funzionamento dei sistemi di frenata e trasmissione di automobili, treni e altri veicoli. Inoltre, le emergenti pastiglie per freni in granuli di grafite sintetica sono più eccezionali in termini di attrito e prestazioni di frenata. Questo tipo di pastiglie per freni è costituito da resina e grafite di sintesi.

- Dissipazione del calore e materiali di illuminazione:

Nell'elettronica di potenza, ad esempio nei transistor di potenza, nei raddrizzatori, negli inverter e così via, si utilizza un foglio di grafite sintetica per dissipare il calore. Questi dispositivi generano molto calore durante il loro funzionamento. Pertanto, una buona dissipazione del calore contribuisce a migliorare l'affidabilità e l'efficienza delle apparecchiature. Inoltre, riduce i guasti e il degrado delle prestazioni causati dal surriscaldamento. Ad esempio, le luci a LED generano calore durante il processo di lavoro e, se non riescono a dissipare il calore in tempo, l'efficienza luminosa e la durata dei LED ne risentono. I fogli di grafite sintetica possono essere applicati ai chip LED o ai substrati di dissipazione del calore per dissipare efficacemente il calore. Ciò garantisce il normale funzionamento dei sistemi di illuminazione a LED e migliora la qualità della luce e gli effetti di risparmio energetico.

- Industrie aerospaziali e della difesa:

Ha un elevato punto di fusione, una forte resistenza agli shock termici e alla corrosione. Può essere utilizzata come combustibile nucleare e come materiale di rivestimento nei reattori ad alta temperatura raffreddati a gas. Inoltre, la grafite viene utilizzata anche per produrre ugelli per razzi spaziali, parti di motori aerospaziali e materiali strutturali per l'isolamento termico.

Produzione nazionale di grafite sintetica

La Cina è il più grande produttore di grafite al mondo. Nel 2023, la produzione di grafite ha raggiunto i 2,612 milioni di tonnellate, di cui 53,75% di grafite sintetica e 46,25% di grafite naturale. Le esportazioni e le esportazioni nette di grafite sintetica in Cina continuano a crescere e il surplus commerciale mostra una tendenza all'espansione.

Nel 2021, il mercato dei materiali anodici di grafite sintetica rappresentava 97,58% del mercato. Dalla situazione del mercato, la fascia di prezzo principale dei prodotti di fascia media nel mercato degli anodi di grafite sintetica è di US$2.700-4.100 per tonnellata. Tra questi, la fascia di prezzo principale dei prodotti di potenza di fascia alta è di US$3.700-4.700 per tonnellata. La fascia di prezzo principale dei prodotti di fascia bassa è US$2,100-3,10o per tonnellata.