合成黒鉛：総合ガイド

人造黒鉛は、人工黒鉛の別称でもある。多くの種類があり、優れた性能を持つ。工業生産に欠かせない炭素系材料である。将来的には、人造黒鉛は技術革新とグリーン化に向けて発展する可能性がある！

合成黒鉛の定義

人造黒鉛は、人工的に合成・改質された非晶質炭素材料である。通常、炭素質原料（石炭、石油コークスなど）を高温処理・黒鉛化処理して製造される。天然黒鉛と同様の電気特性、耐熱特性、耐高温特性を持つが、必要に応じて純度や構造を変えることができる。

人造黒鉛の特性

物理的性質

人造黒鉛は優れた電気伝導性と熱伝導性を持つ。電極、電池、熱管理などの材料として非常に適している。また、人造黒鉛は極端な高温環境にも耐えることができる。つまり、冶金や化学工業の耐火物や高温炉のライニングとして使用することができます。さらに、密度が比較的低いため、構造物の軽量化にも役立ちます。同時に、高い比表面積を維持し、触媒作用や吸着プロセスでの性能を高めます。

化学的性質

人造黒鉛は優れた耐食性と化学的安定性を持っている。例えば、広範囲の酸、塩基、有機溶剤に耐性がある。そのため、化学装置のライニングや貯蔵タンクの製造に適している。さらに、人造黒鉛は化学構造の安定性を保持し、高温で優れた耐酸化性を示すことができる。これは、高温炉や熱処理装置などの高温用途で特に重要である。

機械的特性

人造黒鉛は高い強度と硬度を持つため、大きな機械的負荷に耐え、耐摩耗性に優れている。このため、人造黒鉛は機械部品、構造材料、耐摩耗材料の製造に非常に有用である。同時に、人造黒鉛は可塑性があるため、さまざまな加工技術によってさまざまな形や大きさにすることができ、工業用途での柔軟性が高まります。また、耐摩耗性に優れているため、ブレーキパッドやシールなどの摩擦材の製造にも最適です。

天然黒鉛 VS 人造黒鉛

構造

天然黒鉛は炭素単体からなり、その結晶構造は六方晶系（六角形の層状構造）に属する。

人造黒鉛は、結晶学的には多結晶に類似しており、多相物質と見ることもできる。黒鉛化後の人造黒鉛は、天然黒鉛よりも炭素原子の配列や層間の間隔が整然としている。

熱伝導率

天然黒鉛の熱伝導率は、一般に人造黒鉛よりも優れており、黒鉛の純度や結晶構造にもよるが、理論的には2000W/m・Kに達する。層状構造のため層内での熱伝導が早く、高温用途に優れている。

人造黒鉛の熱伝導率は、一般に数百から1000W/m・Kの間である。これは製造工程や原料の品質に左右されることが多い。

電気伝導度

天然黒鉛の電気伝導率は、結晶構造と不純物の含有量に関係し、通常10^4～10^6S/mである。天然黒鉛は、電子が層間を自由に移動できるため、特に面方向で高い導電率を示す。

合成黒鉛の電気伝導度は、一般に10^3～10^5S/mで、天然黒鉛より低い。これは、人造黒鉛の構造や黒鉛化の程度が天然黒鉛ほど完全でないため、電子の移動に一定の制限が生じるためである。

人造黒鉛製造工程

1.原料混合

石油コークス、ニードルコークスなど高純度で結晶性の良いものを骨材として選びます。そして、石炭、タール、ピッチなどのバインダーと一定の割合で混合し、混練装置で150～200℃の温度で混練します。こうすることで、骨材粒子の表面にバインダーが均一に包み込まれ、塑性ペーストが形成される。一般的にはピッチを人造黒鉛のバインダーと定義しています。

2.成形

圧縮成形： ペーストを金型に入れ、10～50MPaの圧力をかけ、ブロックやプレートなど、金型内でペーストを希望の形状に成形します。

押出 成形： 電極のような製品では、ペーストを押出機の金型を通して押し出し、円筒形など特定の形状のグリーン体を形成する。

3.熱処理

炭化:成形したグリーンビレットを炭化炉に投入します。その後、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの保護下、1～5℃/分の加熱速度で800～1000℃まで加熱する。この工程で、結合材中の炭素以外の成分がガスの形で抜け出し、残った炭素が骨材粒子をさらに結合させる。

黒鉛化:次に黒鉛化炉に炭化体を入れ、5～10℃/分の昇温速度で2500～3000℃まで加熱する。この高温で炭素原子が再配列し、結晶構造が徐々にグラファイト構造に移行する。

人造黒鉛の用途

- バッテリー産業：

人造黒鉛アノードは、理論比容量が高く、サイクル安定性が良好で、リチウムインターカレーション電位が低い。様々な リチウムイオン電池 製品であり、電池全体の性能を向上させる上で重要な役割を果たしている。また、黒鉛はマグネシウム、アルミニウムなどの電解セルの正極の電解に使用される。

- 製鉄および冶金産業：

黒鉛は、製鉄業において浸炭剤として使用することができる。電気炉製鋼プロセスにおいて、黒鉛は 電極 に電気エネルギーを伝える導電性電極として機能する。 炉電荷を溶かす電気アークを発生させる。導電性、耐熱性、化学的安定性に優れている。そのため、電気アーク炉での強電流やスラグ浸食などの過酷な条件にも耐えることができます。現代の鉄鋼業において、黒鉛電極は特殊鋼や合金鋼などの高品質鋼の生産に欠かせない主要材料です。

- 摩擦材：

黒鉛は、機械式変速機のクラッチ、自動車のブレーキパッド、高温用潤滑摩擦材などに使用されている。例えば、合成樹脂の潤滑性や耐熱性は、高温での使用に耐えるものである。 黒鉛粉 摩擦係数を低減し、摩耗を減らすことができます。それによって、摩擦材の寿命と性能を向上させる。これは自動車、列車および他の車のブレーキおよび伝達システムの正常運営を保障する。また、新興の合成黒鉛顆粒ブレーキパッドは、摩擦と制動性能においてより優れている。このタイプのブレーキパッドは、樹脂とグラファイトを合成して作られています。

- 放熱と照明材料：

パワー・トランジスター、整流器、インバーターなどのパワー・エレクトロニクスでは、放熱のために人造黒鉛シートを使用します。これらのデバイスは動作時に多くの熱を発生します。そのため、放熱をうまく行うことで、機器の信頼性や効率を向上させることができます。また、過熱による故障や性能劣化を抑えることができる。例えば、LEDライトは作業中に発熱し、放熱が間に合わないと発光効率や寿命に影響する。人造黒鉛シートをLEDチップや放熱基板に貼り付けることで、効果的に放熱することができる。これにより、LED照明システムの正常な動作が保証され、照明品質と省エネ効果が向上します。

- 航空宇宙・防衛産業

融点が高く、熱衝撃に強く、耐食性に優れている。核燃料や高温ガス炉の被覆管材料として使用される。また、宇宙ロケット用ノズル、航空宇宙用エンジン部品、断熱構造材などにも使用されている。

国家合成黒鉛生産

中国は世界最大の黒鉛生産国である。2023年の黒鉛生産量は261.2万トンに達し、そのうち人造黒鉛が53.75%、天然黒鉛が46.25%である。中国の人造黒鉛の輸出と純輸出は増加し続けており、貿易黒字は拡大傾向を示している。

2021年、人造黒鉛負極材市場は97.58%を占めた。市場の状況から、人造黒鉛負極材市場の中級製品の主流の価格帯はUS$2,700-4,100/トンである。その中で、ハイエンドパワー製品の主流価格帯はUS$3,700-4,700/トンである。ローエンド製品の主流価格帯はUS$2,100-3,10o/トンである。