Over pyrolytisch grafiet

Pyrolytisch grafiet is polykristallijn grafiet dat wordt gemaakt door de ontbinding van een koolwaterstofgas. Deze door de mens gemaakte verbinding lijkt op grafiet. Het heeft echter tal van unieke eigenschappen. Daarom wordt het in verschillende industrieën gebruikt voor uiteenlopende toepassingen. In dit artikel vind je alle kennis over pyrolytisch grafiet, zijn eigenschappen en toepassingen. Laten we beginnen.

Het overzicht van de pyrolytische grafietsamenstelling

Pyrolytisch grafiet is een vorm van grafiet die wordt geproduceerd door de ontbinding van een koolwaterstofgas.

Wanneer de temperatuur van koolwaterstofgas het ontledingsstadium bereikt in een vacuümatmosfeer, vormt het sterk georiënteerde grafietlagen.

Het verschil met gewoon grafiet is de kristalstructuur. In tegenstelling tot natuurlijk grafiet heeft het georganiseerde koolstofatomen. Bovendien is het extreem anisotroop.

Laten we eens kijken naar de kenmerken ervan.

Eigenschappen van pyrolytisch grafiet

Pyrolytisch grafiet heeft verschillende eigenschappen. Dankzij de volgende eigenschappen heeft dit grafiet toepassingen in tal van industrieën.

Hoge thermische geleidbaarheid

Pyrolytisch grafiet staat bekend om zijn hoge warmtegeleiding in het vlak, dankzij de sterke covalente binding.

Bij kamertemperatuur kan het tot 2000 W/m-K bereiken. Deze kwaliteit maakt dit materiaal ideaal voor producten zoals warmteverspreiders en koellichamen.

Hoge elektrische geleidbaarheid

Pyrolytisch grafiet is anisotroop en heeft een gelaagde structuur. Hierdoor ondersteunt het een uitstekende elektriciteitsstroom. De elektronen van dit grafiet bewegen gemakkelijk langs de gebonden koolstofatomen.

Bestand tegen hoge temperaturen

Pyrolytisch grafiet kan extreem hoge temperaturen verdragen. Het is een thermodynamisch stabiele koolstof. Daardoor behoudt het zijn chemische structuur bij hoge temperaturen. De verbinding werkt zelfs prima bij een temperatuur van 3500 °C in een niet-oxiderende atmosfeer.

Chemische stabiliteit

Pyrolytisch grafiet is chemisch inert. Het reageert niet op de meeste zuren, alkaliën en oplosmiddelen bij kamertemperatuur. Het is bestand tegen een groot aantal chemische aanvallen. Daarom gebruiken nucleaire ingenieurs het in kernreactoren.

Mechanische sterkte

Hoewel pyrolytisch grafiet licht in gewicht is, heeft het een behoorlijke mechanische sterkte. De treksterkte in het vlak ligt tussen 20 en 40 MPa.

Wrijvingscoëfficiënt

Pyrolytisch grafiet heeft een verwaarloosbare wrijvingscoëfficiënt, vooral in niet-gesmeerde omstandigheden. Daarom wordt het gebruikt in toepassingen waar minder wrijving cruciaal is.

Je kunt het gebruik ervan zien in afdichtingen, lagers en verschillende glijdende onderdelen.

Hoe wordt pyrolytisch grafiet gemaakt?

Pyrolytisch grafiet wordt gemaakt door middel van een chemisch dampdepositieproces. Ingenieurs deponeren koolstofatomen bij extreme temperaturen in dunne lagen op een substraat.

Laten we het volledige proces stap voor stap doorlopen.

Selectie van koolwaterstofbronnen

Eerst selecteren fabrikanten een koolstofhoudend gas voor het maken van pyrolytisch grafiet. Dit gas kan methaan, acetyleen en propaan zijn. Het werkt als een koolstofbron om grafietstructuren te maken.

Vorming van het substraat

Als het gas eenmaal gekozen is, is het tijd om een geschikt substraat te vinden. Over het algemeen geven fabrikanten de voorkeur aan grafiet als substraat. Dat kan immers hoge temperaturen verdragen. Het substraat laat koolstofatomen zich nestelen in een grafietstructuur.

CVD-proces (chemische dampdepositie)

Het koolwaterstofgas wordt in een oven vrijgelaten. De temperatuur van de oven ligt tussen 200 en 300 °C.

Deze extreme temperatuur ontbindt het gas in koolstof- en waterstofcomponenten. De waterstof komt vrij als afvalproduct, terwijl koolstofatomen zich ophopen op het substraatoppervlak.

Afzetting

De afzetting van koolstofatomen gebeurt in een dunne laag door de gecontroleerde druk. Deze lagen koolstofatomen creëren een geordende structuur van pyrolytisch grafiet.

Omdat de atomen goed uitgelijnd zijn in lagen, wordt pyrolytisch grafiet anisotroop.

Koeling

Laag per laag worden koolstofatomen afgezet, gevolgd door een afkoelingsproces.

Nu kunnen fabrikanten het grafiet uit de oven halen om het de gewenste vorm te geven.

.

Het hele productieproces ondergaat een strenge kwaliteitscontrole. Dit zorgt ervoor dat het pyrolytisch grafiet de benodigde elektrische en thermische eigenschappen heeft.

Toepassingen 

Kernreactoren

Energie- en kernenergiebedrijven over de hele wereld gebruiken pyrolytisch grafiet als moderatormateriaal in kernreactorontwerpen.

De AGR en MAGNOX gasgekoelde reactoren van het Verenigd Koninkrijk zijn hier een perfect voorbeeld van.

Omdat pyrolytisch grafiet een anisotrope koolstofvorm is, wordt het gebruikt in HTGR's (gasgekoelde reactoren met hoge temperatuur) en snelle reactoren. De bestendigheid van het grafiet tegen thermische schokken en chemicaliën maakt het geschikt voor de nucleaire industrie.

Als moderator vertraagt het grafiet neutronen tijdens splijtingsreacties, waardoor de reactor perfect kan werken.

Nucleaire ingenieurs gebruiken pyrolytisch grafiet ook om constructiemateriaal te maken. Het bedekt splijtstofdeeltjes.

In gasgekoelde reactoren wordt de brandstof ingekapseld in tristructureel-isotrope deeltjes. De coating van dit grafiet beschermt de brandstof.

Het fungeert ook als een barrière en beschermt reactoren tegen radioactieve materialen. Dit grafiet verliest zijn structurele integriteit niet, zelfs niet bij temperaturen van meer dan 1.000°C.

Batterijen

Batterijproducenten gebruiken pyrolytisch grafiet op verschillende manieren. Het speelt een grote rol in moderne batterijtechnologieën. 

Lithium-ion batterijen maken ook gebruik van dit grafiet vanwege zijn uitstekende elektrische geleidbaarheid en thermische stabiliteit.

Deze batterijen gebruiken dit grafiet als gastheer voor lithiumionen tijdens het laden en ontladen.

Bovendien gebruiken fabrikanten dit grafiet als negatieve elektrode in oplaadbare lithiumbatterijen.

De gelaagde structuur van pyrolytisch grafiet laat lithiumionen intercaleren tussen de lagen. Hierdoor ontstaat een omkeerbaar mechanisme voor energieopslag.

In tegenstelling tot andere anodematerialen is deze grafietvorm bestand tegen hoge temperaturen en chemische reacties. Het helpt de accu om in extreme omstandigheden te functioneren. Dergelijke accu's worden veel gebruikt in EV's en de ruimtevaart.

Brandstofceltechnologie

Het speelt een cruciale rol in de brandstofceltechnologie. Pyrolytische grafietplaten zijn daar een goed voorbeeld van.

Deze platen in de brandstofcel houden de temperatuur op peil en voeren afvalwarmte af. Vaste oxide brandstofcellen met hoge temperaturen zijn afhankelijk van dit grafiet om de warmte te beheersen.

Grafeen Transistors

Een grafeen transistor is een apparaat op nanoschaal dat wordt gebruikt in draadloze communicatieapparaten, elektronisch textiel, radarsystemen en opvouwbare smartphones.

De transistor gebruikt grafeen als halfgeleidend materiaal. Pyrolytisch grafiet speelt een belangrijke rol bij het maken van grafeen. Het dient als voorlopermateriaal voor de productie van grafeen.

Het grafiet zorgt ook voor een efficiënte warmtehuishouding in grafeen transistors.

Raketstraalpijp

Raketwetenschappers gebruiken pyrolytisch grafiet in raketstraalpijpen vanwege de uitstekende structurele integriteit en thermische eigenschappen.

De met pyrolytisch grafiet beklede keel en kamers van de raket zijn bestand tegen temperaturen van meer dan 3.000 °C. Bovendien erodeert dit grafiet niet door de hete gassen die uit de straalpijp komen.

Het Air Force Rocket Propulsion Laboratory gebruikte in 1974 ook keelinserts met een laagje pyrolytisch grafiet in hun raket.

Medisch diagnostisch gereedschap

Je ziet ook het gebruik van pyrolytisch grafiet in tal van diagnoseapparatuur.

Het minimaliseert het veld van inhomogeniteiten in MRI-machines. Daarom verbetert het op natuurlijke wijze de helderheid en detaillering van magnetische velden.

Vanwege zijn biocompatibiliteit wordt grafiet ook gebruikt in onderdelen van pacemakers.

Pyrolytisch grafiet reageert niet met lichaamsweefsels en -vloeistoffen. Je hoeft je dus geen zorgen te maken over complicaties.

Elektrochemische sensoren helpen bij het controleren van cholesterol en glucose. Wist je dat deze sensoren ook pyrolytisch grafiet gebruiken?

Deze grafietvorm heeft een zeer geleidend oppervlak. Daarom zorgt het voor een goede elektronenoverdracht en geeft het elke keer weer een betrouwbare aflezing.

Bovendien helpt het corrosiebestendige vermogen elektrochemische sensoren om verschillende biologische omgevingen te weerstaan.

Elektrochemisch

De uitstekende chemische stabiliteit en elektrische geleidbaarheid maken pyrolytisch grafiet geschikt voor verschillende elektrochemische toepassingen. Het dient als elektrodemateriaal in verschillende elektrochemische cellen, zoals condensatoren en batterijen.

Dit grafiet ondersteunt de snelle overdracht van elektronen tussen de elektrode en de analyt. Hierdoor helpt het bij de detectie van neurotransmitters.

Röntgenbuizen

Een röntgenbuis wordt gebruikt voor industriële inspectie en medische beeldvorming. Deze buizen gebruiken pyrolytisch grafiet als materiaal voor de anode. De anode is bedoeld om de kinetische energie van versnelde elektronen om te zetten in röntgenstraling.

Tijdens dit proces kan de anode oververhit raken. Gelukkig verspreidt de hoge thermische geleidbaarheid van pyrolytisch grafiet de warmte die vrijkomt tijdens de röntgenproductie. Daarom wordt de levensduur van de buis verlengd.

Laserlicht

Verschillende bedrijven gebruiken pyrolytisch grafiet in laserlichtsystemen. Deze verbinding heeft bijzondere optische en thermische eigenschappen waardoor het de intense laserstraal kan verdragen.

In 2012Een onderzoeksgroep in Japan toonde aan dat pyrolytisch grafiet reageert op laserlicht. Ze onderzochten ook dat de verbinding reageert op natuurlijk zonlicht door in de richting van de veldgradiënt te bewegen.

Laserbundeldumps gebruiken dit grafiet om laserenergie te absorberen en warmte snel af te voeren. Het apparaat wordt gebruikt om overmatige energie van laserstralen te absorberen.

Lasergraveersystemen gebruiken ook pyrolytisch grafiet als substraat. Omdat dit grafiet bestand is tegen laserablatie, zorgt het voor nauwkeurig lasermarkeren en -snijden.

Daarnaast zie je ook het gebruik van pyrolytisch grafiet spiegels in krachtige laseropstellingen. Deze spiegels reflecteren laserstralen zonder beïnvloed te worden door hoge temperaturen.

Conclusie

Dit is een uitgebreide gids over pyrolytisch grafiet. Alles bij elkaar genomen, kunnen we zeggen dat deze grafietvorm een veelzijdig materiaal is. Zijn anisotrope elektrische eigenschappen, thermische geleidbaarheid en hoge temperatuurbestendigheid maken het ideaal voor een breed scala aan toepassingen. 

Verschillende industrieën gebruiken het op verschillende manieren. In de komende jaren kunnen we het gebruik ervan zien in verschillende andere moderne technologieën en innovaties.

We hopen dat deze uitgebreide gids je voldoende informatie geeft over pyrolytisch grafiet.