グラファイトとは何か、グラファイトは何でできているのか？

黒鉛は炭素の同素体として、日常生活や工業生産に頻繁に登場する。それは何なのか？金属なのか、鉱物なのか、元素なのか。何からできているのか？この記事では、黒鉛の性質を深く探り、その秘密の層を明らかにする。そして、科学と応用の分野におけるグラファイトのユニークな魅力と重要な価値を十分に紹介する。

グラファイトの定義

黒鉛は炭素の結晶形態で、通常は灰黒色で不透明な固体状態を示し、独特の金属光沢を持つ。しかし時には、黒鉛原子の不規則な配列からなるアモルファス状のものもある。その質感は比較的柔らかく、この柔らかさによって紙の上にはっきりとした跡を残すことができる。この性質により、黒鉛は鉛筆の芯の主成分にもなっている。化学的本質において、黒鉛は炭素の同素体に属し、ダイヤモンドやフラーレンなどと同様に炭素原子で構成されている。しかし、これらの物質では炭素原子の並び方が大きく異なり、その結果、物理的・化学的性質に大きな違いが生じている。

黒鉛は金属か鉱物か？

黒鉛は金属ではなく鉱物である。金属は通常、優れた電気伝導性、熱伝導性、延性などの典型的な特性を持っている。黒鉛はある程度の電気伝導性と熱伝導性を持つが、金属特有の延性はない。黒鉛は、複雑な地質学的過程から自然に生じた産物であり、鉱物の定義を満たしている。自然界の特定の岩石や鉱床に存在する。そしてそれは、地球内部の物質の移動と変化を目撃し、地球の輪の長いサイクルと進化のプロセスにおける炭素の重要な形態である。

グラファイトは元素か？

黒鉛は元素ではなく、炭素からなる一つの物質である。元素とは、同じ数の核電荷（プロトン）を持つ原子のグループのことである。黒鉛は、特定の化学結合によって結合した多数の炭素原子によって形成された物質体である。このように同じ元素からなる純粋な物質を元素と呼ぶ。黒鉛は炭素元素の存在の特別な形態である。ユニークな結晶構造と物理的・化学的特性を持つそれは、炭素の豊かで多様な特性を示している。

グラファイトはカーボンか？

グラファイトは炭素の同素体であり、炭素元素のみで構成されている。グラファイトの内部では、炭素原子が非常に特殊な方法で配列・結合し、独特の結晶構造を形成している。この構造が、グラファイトに多くの特別な性質を与えている。そのため、ダイヤモンド（硬質で透明な性質で知られる）やフラーレン（ユニークな球状または管状の構造を持つ）といった他の炭素同素体とは、外観、物理的・化学的性質が大きく異なる。多くの分野で、それらは異なる役割を果たしている。

黒鉛はどこから来るのか？

天然資源

自然界における黒鉛の供給源はもっと広範囲に及ぶ。変成岩の中に黒鉛の一部を形成することができる。例えば、地域的な変成作用の過程で、元の炭素を含む堆積物（石炭層など）は、高温・高圧の極端な条件下で複雑な変成結晶化を経て、徐々に黒鉛に変化する。さらに、黒鉛の一部はマグマ起源である。マグマが地殻に侵入すると、マグマに含まれる炭素が特定の地質環境と物理的・化学的条件下で結晶化する。こうして黒鉛が形成される。天然黒鉛鉱床は世界の多くの国や地域に分布しており、中でも中国、ブラジル、インドなどは比較的豊富な天然黒鉛資源を持っている。これらは世界の黒鉛関連産業の発展に重要な材料基盤を提供している。

人造黒鉛

現代工業技術の急速な発展に伴い、人造黒鉛の生産は徐々に黒鉛供給の重要な部分を占めるようになってきた。人造黒鉛は通常、特定の炭素含有原料（石油コークス、アスファルトコークスなど）の高温熱処理によって製造される。人造黒鉛は アモルファス 炭素をグラファイトに変える。高温になると、炭素を含む原料に含まれる炭素以外の元素は徐々に揮発する。そして炭素原子が再配列して結晶化し、最終的に天然黒鉛に似た構造を持つ人造黒鉛が形成される。人造黒鉛の製造は高度に制御可能である。人造黒鉛の製造は、高度な制御が可能であり、さまざまな産業用途のニーズに応じて、その純度、結晶構造、物理的・化学的特性を精密に制御することができる。そのため、鉄鋼、電池、耐火物など多くの分野で広く使用されている。これは、現代産業の発展に強力なサポートを提供します。

グラファイトの種類

要約すると、黒鉛は主に天然黒鉛と合成黒鉛の2種類に分けられる。

 天然黒鉛

天然黒鉛には、薄片状黒鉛、結晶性黒鉛、隠微晶質黒鉛も含まれる。

薄片状黒鉛は、直径がコンマ数ミリから数ミリの広い範囲で、大きく薄い薄片状であることが特徴である。これらの鱗片は、平面方向には良好な電気伝導性と熱伝導性を持ち、層状構造により優れた潤滑特性を持つ。

結晶性グラファイトの結晶はよく発達しており、明らかな六角ラメラ結晶の形状を示している。そしてその鱗片は比較的大きく、スライスの直径はしばしば0.1～0.2mm以上である。この種の黒鉛は自然界にはあまり存在しない。しかし、その優れた結晶構造とユニークな特性のため、多くのハイエンド産業分野で役割を果たしている。

アファナイト系黒鉛の結晶は非常に小さく、微結晶の集合体の形で存在する。結晶の形状は肉眼ではほとんど識別できない。固定炭素含有量は60%～80%と高い水準にある。工業用途では、隠微晶質黒鉛を鋳造材料や耐火材料として使用することができる。

人造黒鉛

人造黒鉛には3つのタイプがあり、それぞれがユニークな特性と用途を持っている。

高純度黒鉛の純度は非常に高く、不純物の含有量は非常に低く、通常99.9%以上です。化学的安定性に優れ、導電性が高いため、半導体製造、ハイエンド化学工業など、純度が厳しく要求される産業で重要な役割を果たしています。

等方圧加圧黒鉛は、等方圧加圧プロセスによって形成され、均一な構造と等方性の特徴を持つ。機械的強度、耐高温性、耐熱衝撃性に優れ、冶金、放電加工などの分野で優れた性能を発揮します。

膨張黒鉛は、天然黒鉛に特殊な処理を施したもので、独特のワーム状構造を持つ。これは高温で急速に膨張し、優れた断熱性と密封性を持つ材料を形成することができる。防火材料の分野では、膨張黒鉛は防火シール、防火コーティングなどの製造に使用することができます。効果的に延焼を防ぐことができる。

グラファイトは何でできているのか？

グラファイト・エレメント

黒鉛の主成分は炭素である。グラファイトでは、炭素原子同士が共有結合で結びつき、六角形の平面網目構造を形成している。この平面網目構造が空間中で何層にも積み重なり、グラファイト独特の結晶構造を形成している。各炭素原子は、周囲の3つの炭素原子と共有結合を形成している。そしてこの共有結合の存在が、グラファイトに層内での高い安定性と強度を与えている。また、電気伝導性や熱伝導性など、グラファイトの特殊な特性の基盤ともなっている。

グラファイトの化学式

グラファイトの化学式は通常Cで表され、炭素のみで構成されていることを明確に示している。その単純な化学式にもかかわらず、黒鉛は複雑で多様な物理的・化学的性質を示す。炭素原子の配列が独特で、多くの化学結合が存在するためである。単一元素で構成されながら豊かな特性を持つこの特性により、黒鉛は材料科学の分野で独自の地位を占めている。また、多くの研究や用途の焦点となっている。

グラファイト構造

炭素 グラファイト中の炭素原子の配列

炭素は黒鉛の微細構造の中に配列している。そして炭素原子は、層状配列という顕著な特徴を示す。炭素原子の各層は密接に配置され、巨大な六角形の平面網目構造を形成している。そして、炭素原子は共有結合によって密接に接続されている。そのため、これらの平面層は高い安定性と強度を持ち、ある程度の外力にも損傷することなく耐えることができる。層と層の間は弱いファンデルワールス力の相互作用を介している。この比較的弱い層間力は、層と層の間のグラファイトを、小さな外力でも滑りやすくし、グラファイトに良好な潤滑性と柔軟性を与える。そのため、黒鉛は摩擦を減らし、用途に応じて一定の変形能力を持つ必要がある。

ボンディング

グラファイト層の炭素原子間の共有結合は、強力な化学結合である。これはグラファイト層の安定性と完全性を保証するだけでなく、グラファイトの物理的特性にも大きな影響を与える。共有結合が存在するため、電子は層内の炭素原子間を比較的自由に移動することができる。このため、グラファイトは層内で良好な導電性と熱伝導性を持ち、電流と熱を効率的に伝達することができる。

層間のファンデルワールス力は比較的弱い。また、硬度や密度といったグラファイトの物理的特性への寄与は、共有結合よりも小さい。このような層内共有結合と層間ファンデルワールス力の相乗効果により、グラファイトのユニークな異方性が生み出される。すなわち、グラファイトの物理的・化学的特性は、層方向と垂直層方向で大きく異なる。そして、グラファイトの特性を最適に利用するためには、材料応用においてこの特性を十分に考慮する必要がある。

黒鉛の特性

物理的性質

カラー

黒鉛は通常、灰黒色の外観色を呈する。この色の形成は、グラファイトの内部電子構造と光の吸収・反射特性に密接に関係している。グラファイト中の炭素原子は、特定の化学結合と電子雲の分布を通じて可視光を吸収・散乱する。そのため、可視光のほとんどは吸収され、反射や散乱される光はわずかである。そのため、マクロレベルでは灰色と黒色の視覚効果を呈する。さらに、グラファイトの不透明な性質は、他の透明または半透明の素材とは対照的に、その外観に独特の質感を与えている。

密度

黒鉛の密度は比較的小さく、約2.09～2.23 g/cm 3である。また、比重も小さい。この特性により、グラファイトは、重量が厳しく要求される用途場面で明らかに有利となる。例えば、航空宇宙分野のある部品の設計では、ある程度の導電性と潤滑性を持ち、かつ全体の重量を減らすことができる材料を使う必要がある。その場合、グラファイトは非常に可能性のある候補材料になります。

融点

グラファイトは融点が非常に高く、約3652℃～3697℃である。この優れた高温安定性により、黒鉛は超高温環境下でも比較的安定した構造と特性を維持することができる。鉄鋼製錬、耐火物、その他の高温工業プロセスにおいて、黒鉛は重要な役割を果たしている。

電気伝導度

グラファイトは層内で優れた電気伝導性を持つが、これは層内の炭素原子間に共有結合による安定した電子雲構造が形成されるためである。そして、電子はこの構造の中で比較的自由に動くことができ、電流の効率的な伝導を実現する。同時に、グラファイトの熱伝導率も非常に高く、熱を素早く伝えることができる。

潤滑

潤滑性グラファイトの潤滑特性は、その独特の層構造に起因する。層間のファンデルワールス力は弱いからである。グラファイトに外力が加わると、層間の相対的な摺動が起こりやすくなる。そして、この摺動が摩擦係数を効果的に低下させ、潤滑の役割を果たすのである。機械産業における各種機械設備の日常的な潤滑メンテナンス、あるいは特殊環境（高温、高圧、化学腐食環境など）における潤滑ニーズなど、グラファイトは優れた潤滑効果を発揮します。

化学的性質

グラファイト耐食性

グラファイトは耐酸性と耐アルカリ性に優れている。ある濃度範囲内の酸やアルカリ溶液中では、比較的安定した構造と性能を維持できる。これは、黒鉛中の炭素原子が共有結合によって安定した化学結合エネルギー構造を形成しているためである。このため、黒鉛は酸や塩基溶液中のイオンによって破壊されにくい。この耐酸性・耐アルカリ性により、黒鉛は化学工業の腐食環境において重要な応用価値を持つ。

他の材料との反応性

通常の温度条件下では、黒鉛の化学的性質は比較的安定している。また、一般的な物質とは化学反応しにくい。しかし、高温、高圧または特定の化学的環境にさらされると、黒鉛は一部の酸化剤（酸素、濃硫酸など）と反応することがある。

例えば、酸素が十分にあり、温度がある程度上昇すると、黒鉛は酸化反応を起こし、徐々に二酸化炭素などの生成物に変化する。この反応性により、極端な酸化環境での黒鉛の使用はある程度制限される。しかし、黒鉛の特殊処理や改質の可能性もある。

熱膨張係数

グラファイトは熱膨張係数が小さいため、温度が変化しても寸法安定性に優れている。他の多くの材料に比べ、黒鉛の体積は、より大きな温度の上昇と下降を経験する過程でほとんど変化しない。

材料の高い寸法精度が要求される用途では、グラファイトのこの低い熱膨張係数が特に重要である。温度変動による部品の変形や組立精度の低下といった問題を効果的に回避することができる。そのため、さまざまな温度環境において、機器や器具の正常な動作と安定した性能を確保することができます。

酸化

黒鉛は、常温では強い耐酸化性・耐食性を示すが、高温・高湿度・強酸化環境などの極端な条件下では、徐々に酸化・腐食が進行する。例えば、空気中の高温に長期間さらされると、黒鉛表面の炭素原子が酸素と反応して酸化被膜を形成する。

そして時間の経過とともに、酸化被膜の連続的な肥厚は、グラファイトの構造と性能の変化につながる。導電性や強度の低下などである。そのため、黒鉛の耐酸化性に対する要求が高い用途分野では、黒鉛の特殊な表面処理を行う必要がある場合が多い。あるいは酸化防止剤を添加するなどの対策が必要である。使用中の黒鉛材料の性能安定性と信頼性を確保するために、その酸化防止能力を向上させる。

機械的特性

硬度と強度

黒鉛の強度と硬度は比較的低く、モース硬度は1～2程度である。この性質により、黒鉛は加工時に様々な形状に成形・加工することが比較的容易である。例えば、鉛筆の芯の製造では、黒鉛と粘土などの他の材料を異なる割合で混合し、加圧することで、異なる筆記ニーズに対応した硬度のペン芯を作ることができ便利である。しかし、黒鉛の全体的な強度は低いが、それでもいくつかの特定の方向では一定の強度利用価値がある。例えば、黒鉛層の方向に沿ってである。

 弾力性

グラファイトはその独特の層状構造により、ある程度の柔軟性と弾性を示す。小さな外力を加えると、グラファイトの層構造をある程度まで曲げたり変形させたりすることができる。そして、外力を取り除くと、黒鉛を元の形状、あるいは元の形状に近い状態に戻すことができる。この柔軟性と弾力性により、グラファイトは、フレキシブル電子機器、シール材、その他の新興分野への応用が期待されている。

異方性

異方性黒鉛は、極めて明白な異方性を持っている。すなわち、その物理的・化学的特性は、方向によって著しく異なる。導電特性に関しては、グラファイト層に沿った導電率は、垂直層の導電率よりもはるかに高い。これは、共有結合が電子伝導を促進し、層間ファンデルワールス力が電子伝導を阻害するためである。

硬度と強度の面では、垂直層の硬度と強度が比較的高い。なぜなら、層間のファンデルワールス力により、層間の相対的な摺動がある程度制限されるからである。一方、層間力が弱いため、滑りや変形が起こりやすい。この異方性特性は、グラファイトの応用プロセスにおいて、特別な注意と考慮が必要である。具体的な用途に応じて、黒鉛の特性の利点を異なる方向から選択し、利用することは合理的である。そのため、黒鉛材料の性能を最大限に利用し、応用効果を最適化することができる。

熱的・電気的特性

黒鉛の熱的特性と電気的特性、熱的特性と優れた性能の間には密接な内部関係がある。その高い熱伝導率は、熱をすばやく放出するのに十分であり、電子機器の放熱の分野で大きな応用価値がある。同時に、黒鉛の良好な導電性は、回路中の優れた導体として電流を効率的に伝達することを可能にする。

その他の物件

上記のような多くの特性に加えて、グラファイトには他にもいくつかの特別な特性がある。例えば、グラファイトにはある種の吸着特性がある。そして、その豊富な細孔構造と大きな比表面積は、ある種のガスや低分子を吸着することができる。この特性は、環境保護分野におけるガス浄化や下水処理に潜在的な応用価値がある。グラファイトを適切に改質・処理することにより、吸着性能をさらに向上させることができる。空気中の有害ガス（ホルムアルデヒド、二酸化硫黄など）や水中の重金属イオン、有機汚染物質などの除去に使用できる。

黒鉛の6つの用途

鉛筆で

黒鉛は鉛筆の芯の主成分です。その柔らかい質感と独特の層構造により、筆記や絵画のニーズに合わせて粘土と混合し硬度を調整した後、紙にはっきりとした跡を残すことができる。学生の学習から芸術的な創作まで、あらゆる筆記具に広く使われている。これにより、人々は自由にアイデアや創造性を表現することができます。

潤滑油として

潤滑剤としてのグラファイトは、層状構造の中間層と層間のファンデルワールス力が弱いため、良好な潤滑性を有する。機械分野で広く使用されている。自動車エンジンの内部可動部品であれ、工業用機械伝達部品であれ。また、航空宇宙分野の高温高圧部品においても、グラファイトパウダーは効果的に摩擦を減らし、摩耗を減らすことができます。また、機器のスムーズで効率的な動作を保証し、耐用年数を延ばすことができます。

製鉄

黒鉛は製鉄において重要な役割を果たしている。黒鉛は 電極鉄スクラップ原料のジュール熱溶解に電流を導入することができます。浸炭剤として、溶鋼の炭素含有量を正確に調整することができます。炉のライニング材料で作られ、高温耐性と耐食性により、高温の溶鋼とスラグの損傷から製鋼炉本体を保護します。また、黒鉛は一定の比熱容量を持っています。製鋼プロセス中の熱を吸収・放出することができ、炉内の温度変動を調整するのに役立ちます。製鋼プロセスの効率的、安全、安定的な発展を効果的にサポートします。

バッテリー

黒鉛は電池において重要な役割を果たし、リチウムイオン電池の負極材料として一般的に使用されている。 バッテリー.その層状構造は、良好な導電性で、リチウムイオンの埋め込みと脱埋め込み、充電埋め込み、放電放電のためのスペースを提供します。これは、バッテリーの充放電サイクルを保証します。新しい電池技術の研究では、それはまた、基本的な材料と見なされます。これは、新しいエネルギー貯蔵の開発を促進する役割を果たしている。

耐火物

黒鉛は高融点で高温安定性があり、高品質の耐火物である。冶金、セラミックス、ガラス、その他の工業用高温プロセスにおいて、耐火レンガ、ライニングの製造に使用される。 坩堝 など。高温環境下での金属溶融物やスラグの浸食に抵抗し、構造安定性を維持することができる。熱損失を低減し、事故リスクを低減し、高温工業生産のための強力な安全ラインを構築する。

原子炉

グラファイトは原子炉の中性子減速材として機能する。中性子と衝突することによって、高速中性子は熱中性子に減速される。こうして核分裂反応の速度を制御し、原子炉の安定した運転を保証する。初期の原子炉には多くの用途がある。しかし、黒鉛は高温・中性子照射下で変質するため、長期的な安全使用のためには特別な技術的対応が必要となる。

結論

炭素の同素体であるグラファイトは様々な特性を持ち、広く利用されている。その様々な特性は互いに関連しており、それが様々な場面での性能を決定している。日常の鉛筆から工業用製鋼、電池製造、ハイテク原子炉に至るまで、黒鉛はなくてはならないものである。科学技術の発展に伴い、黒鉛は新興分野で大きな可能性を秘めている。そして、材料科学、世界資源戦略、持続可能な発展戦略において、より重要な位置を占めるようになるだろう。そして、人類社会の進歩を促進し続けるだろう。