Synthetisch grafiet: Een uitgebreide gids

Synthetisch grafiet is ook een andere term voor kunstmatig grafiet. Ze zijn er in vele soorten en hebben uitstekende prestaties. Het zijn onmisbare koolstofhoudende materialen voor industriële productie. In de toekomst kun je zien dat synthetisch grafiet zich kan ontwikkelen in de richting van innovatie en vergroening!

Synthetisch grafiet Definitie

Synthetisch grafiet is een amorf koolstofmateriaal dat kunstmatig gesynthetiseerd en gemodificeerd is. Het wordt meestal geproduceerd met koolstofhoudende grondstoffen (zoals steenkool, petroleumcoke, enz.) door middel van behandeling bij hoge temperatuur en grafitisatieprocessen. Het heeft vergelijkbare elektrische en thermische eigenschappen en weerstand bij hoge temperaturen als natuurlijk grafiet, maar de zuiverheid en structuur kunnen naar behoefte worden gewijzigd.

Synthetisch grafiet eigenschappen

Fysische eigenschappen

Synthetisch grafiet heeft een uitstekend elektrisch en thermisch geleidingsvermogen. Het is een zeer geschikt materiaal voor het maken van elektroden, batterijen en thermisch management. Bovendien is synthetisch grafiet bestand tegen extreem hoge temperaturen. Dit betekent dat je het kunt gebruiken als vuurvast materiaal en ovenbekleding bij hoge temperaturen in de metallurgische en chemische industrie. Bovendien helpt de relatief lage dichtheid om het structurele gewicht te verminderen. Tegelijkertijd heeft het een hoog specifiek oppervlak, waardoor het beter presteert in katalyse- en adsorptieprocessen.

Chemische eigenschappen

Synthetisch grafiet heeft een uitstekende corrosiebestendigheid en chemische stabiliteit. Het is bijvoorbeeld bestand tegen een groot aantal zuren, basen en organische oplosmiddelen. Daarom is het geschikt voor gebruik bij de productie van bekledingen en opslagtanks voor chemische apparatuur. Bovendien behoudt synthetisch grafiet de stabiliteit van de chemische structuur en is het goed bestand tegen oxidatie bij hoge temperaturen. Dit is vooral belangrijk bij toepassingen bij hoge temperaturen, zoals in hoge-temperatuurovens en warmtebehandelingsapparatuur.

Mechanische eigenschappen

Synthetisch grafiet heeft een hoge sterkte en hardheid waardoor het bestand is tegen grote mechanische belastingen en slijtage. Dit maakt synthetisch grafiet zeer nuttig bij de productie van mechanische onderdelen, constructiematerialen en slijtvaste materialen. Tegelijkertijd zorgt de plasticiteit van synthetisch grafiet ervoor dat het met verschillende bewerkingstechnieken in verschillende vormen en maten kan worden gemaakt, waardoor het flexibeler wordt in industriële toepassingen. De slijtvastheid maakt het ook ideaal voor de productie van remblokken, afdichtingen en andere frictiematerialen.

Natuurlijk grafiet VS synthetisch grafiet

Structuur

Natuurlijk grafiet bestaat uit een enkel koolstofelement en de kristalstructuur behoort tot het hexagonale kristalsysteem, een zeshoekige gelaagde structuur.

Synthetisch grafiet is kristallografisch vergelijkbaar met polykristallijn en kan ook worden gezien als een meerfasig materiaal. Na grafitisering heeft synthetisch grafiet een meer geordende ordening van koolstofatomen en tussenlagen dan natuurlijk grafiet.

Thermische geleidbaarheid

Het warmtegeleidingsvermogen van natuurlijk grafiet is over het algemeen beter dan dat van synthetisch grafiet en kan theoretisch 2000 W/m-K bereiken, afhankelijk van de zuiverheid en kristalstructuur van het grafiet. Door de gelaagde structuur wordt warmte snel binnen de laag geleid, waardoor het uitstekend geschikt is voor toepassingen bij hoge temperaturen.

Het warmtegeleidingsvermogen van synthetisch grafiet ligt meestal tussen een paar honderd en 1000 W/m-K. Dit hangt vaak af van het productieproces en de kwaliteit van de grondstof.

Elektrische geleidbaarheid

Het elektrisch geleidingsvermogen van natuurlijk grafiet ligt meestal tussen 10^4 en 10^6 S/m, afhankelijk van de kristalstructuur en het gehalte aan onzuiverheden. Natuurlijk grafiet heeft een hoog elektrisch geleidingsvermogen, vooral in de vlakke richting, omdat elektronen vrij tussen de lagen kunnen bewegen.

Het elektrisch geleidingsvermogen van synthetisch grafiet ligt meestal tussen 10^3 en 10^5 S/m, meestal lager dan dat van natuurlijk grafiet. Dit komt doordat de structuur en grafitisatiegraad van synthetisch grafiet mogelijk niet zo perfect is als die van natuurlijk grafiet, wat resulteert in bepaalde beperkingen op de beweging van elektronen.

Productieproces van synthetisch grafiet

1. Grondstoffen mengen

We selecteren petroleumcoke, naaldcoke, enz. met een hoge zuiverheid en goede kristalliniteit als aggregaten. Vervolgens mengen we ze met bindmiddelen zoals steenkool, teer, pek, enz. in een bepaalde verhouding en kneden we in de kneedapparatuur bij een temperatuur van 150-200°C. Op deze manier wordt het bindmiddel gelijkmatig op het oppervlak van de aggregaatdeeltjes aangebracht, waardoor een plastic pasta ontstaat. Gewoonlijk definiëren we pek als bindmiddel voor synthetisch grafiet.

2. Molding

Persgieten: We doen het deeg in de mal en oefenen een druk van 10 - 50MPa uit om het deeg in de gewenste vorm in de mal te krijgen, zoals blok, plaat, enz.

Extrusie vormen: Voor producten zoals elektroden extruderen we de pasta door de mal van een extruder om een cilindrisch of ander specifiek groen lichaam te vormen.

3. Warmtebehandeling

Carbonisatie: We plaatsen de gevormde groene billet in de carbonisatieoven. Vervolgens verhitten we het tot 800 - 1000 °C met een verhittingssnelheid van 1 - 5 °C/min onder bescherming van inerte gassen zoals stikstof of argon. Tijdens dit proces ontsnappen de niet-koolstofelementen in het bindmiddel in de vorm van een gas en de resterende koolstof bindt de samengevoegde deeltjes verder.

Grafitisatie: Plaats het verkoolde lichaam vervolgens in een grafitisatieoven en verhit het tot 2500 - 3000 °C bij een verhittingssnelheid van 5 - 10 °C/min. Bij deze hoge temperatuur herschikken de koolstofatomen zich en verschuift de kristalstructuur geleidelijk naar een grafietstructuur.

Synthetisch grafiet toepassingen

- Batterij-industrie:

Anoden van synthetisch grafiet hebben een hoge theoretische specifieke capaciteit, een goede cyclusstabiliteit en een laag lithiumintercalatiepotentiaal. Ze worden op grote schaal gebruikt in verschillende lithium-ionbatterij producten, die een essentiële rol spelen bij het verbeteren van de algemene prestaties van batterijen. Daarnaast wordt grafiet gebruikt voor het elektrolyseren van de kathode van elektrolytische cellen voor magnesium, aluminium, enz.

- Staalproductie en metallurgische industrie:

Je kunt grafiet gebruiken als carburant in de staalindustrie. In het staalproductieproces met een vlamboogoven wordt het grafiet elektrode werkt als een geleidende elektrode om elektrische energie over te brengen naar de ovenwaardoor een elektrische boog ontstaat die de lading doet smelten. Het heeft een goed elektrisch geleidingsvermogen, weerstand tegen hoge temperaturen en chemische stabiliteit. Daarom is het bestand tegen zware omstandigheden zoals sterke stromen en slakerosie in vlamboogovens. In de moderne staalindustrie zijn grafietelektroden onmisbare basismaterialen voor de productie van staal van hoge kwaliteit, zoals speciaal staal en gelegeerd staal.

- Wrijvingsmaterialen:

Grafiet wordt gebruikt bij de productie van koppelingen in mechanische transmissiesystemen, remblokken in auto's en frictiematerialen voor smeermiddelen bij hoge temperaturen. De smering en hittebestendigheid van synthetische grafietpoeder kan de wrijvingscoëfficiënt verlagen, slijtage verminderen. Hierdoor verbeteren de levensduur en de prestaties van wrijvingsmaterialen. Dit zorgt voor de normale werking van rem- en transmissiesystemen van auto's, treinen en andere voertuigen. Daarnaast zijn de opkomende synthetische grafietkorrels remblokken beter in wrijving en remprestaties. Dit type remblok is gemaakt van hars en grafietsynthese.

- Warmteafvoer en verlichtingsmaterialen:

In vermogenselektronica zoals vermogenstransistors, gelijkrichters, omvormers enz. gebruik je synthetisch grafiet om warmte af te voeren. Deze apparaten produceren veel warmte wanneer ze werken. Daarom helpt een goede warmteafvoer om de betrouwbaarheid en efficiëntie van de apparatuur te verbeteren. Ondertussen vermindert het storingen en prestatievermindering als gevolg van oververhitting. LED-lampen genereren bijvoorbeeld warmte tijdens het werkproces en als ze de warmte niet op tijd kunnen afvoeren, zal dit de lichtefficiëntie en levensduur van de LED beïnvloeden. Synthetische grafietvellen kunnen aan LED-chips of hittedissipatiesubstraten worden bevestigd om warmte effectief af te voeren. Dit zorgt voor de normale werking van LED-verlichtingssystemen en verbetert de verlichtingskwaliteit en energiebesparende effecten.

- Lucht- en ruimtevaart en defensie-industrie:

Met een hoog smeltpunt, sterke weerstand tegen thermische schokken en weerstand tegen corrosie. Het kan worden gebruikt als splijtstof en als bekledingsmateriaal in gasgekoelde reactoren met hoge temperatuur. Daarnaast wordt grafiet ook gebruikt voor de productie van straalpijpen voor ruimteraketten, onderdelen van vliegtuigmotoren en structurele materialen voor thermische isolatie.

Nationale productie synthetisch grafiet

China is de grootste grafietproducent ter wereld. In 2023 bedroeg de grafietproductie 2,612 miljoen ton, waarvan 53,75% synthetisch grafiet en 46,25% natuurlijk grafiet. De Chinese export en netto-export van synthetisch grafiet blijft groeien en het handelsoverschot vertoont een stijgende trend.

In 2021 was de markt voor anodemateriaal van synthetisch grafiet goed voor 97,58% van de markt. Uit de marktsituatie blijkt dat de prijsklasse van producten uit het middensegment op de markt voor anoden van synthetisch grafiet US$2.700-4.100 per ton bedraagt. De prijsklasse van producten in het topsegment is US$3.700-4.700 per ton. De belangrijkste prijsklasse van low-end producten is US$2.100-3.10o per ton.