Grafite sintético: Um guia abrangente

Grafite sintético também é outro termo para grafite artificial. Eles existem em vários tipos e têm excelente desempenho. São materiais à base de carbono indispensáveis para a produção industrial. No futuro, você pode ver que o grafite sintético pode se desenvolver em direção à inovação e à ecologia!

Definição de grafite sintético

O grafite sintético é um material de carbono amorfo que foi sintetizado e modificado artificialmente. Geralmente é produzido com matérias-primas carbonáceas (como carvão, coque de petróleo etc.) por meio de processos de tratamento e grafitização em alta temperatura. Ele tem características de resistência elétrica, térmica e de alta temperatura semelhantes às do grafite natural, mas a pureza e a estrutura podem ser alteradas conforme a necessidade.

Propriedades do grafite sintético

Propriedades físicas

O grafite sintético tem excelente condutividade elétrica e térmica. É um material muito adequado para a fabricação de eletrodos, baterias e gerenciamento térmico. Além disso, o grafite sintético é capaz de resistir a ambientes de alta temperatura extrema. Isso significa que ele pode ser usado como material refratário e revestimento de fornos de alta temperatura nos setores metalúrgico e químico. Além disso, sua densidade relativamente baixa ajuda a reduzir o peso estrutural. Ao mesmo tempo, mantém uma alta área de superfície específica, melhorando seu desempenho em processos de catálise e adsorção.

Propriedades químicas

O grafite sintético tem excelente resistência à corrosão e estabilidade química. Por exemplo, ele resiste a uma ampla gama de ácidos, bases e solventes orgânicos. Portanto, é adequado para uso na fabricação de revestimentos e tanques de armazenamento para equipamentos químicos. Além disso, o grafite sintético pode reter a estabilidade da estrutura química e apresentar boa resistência à oxidação em altas temperaturas. Isso é particularmente importante em aplicações de alta temperatura, como em fornos de alta temperatura e equipamentos de tratamento térmico.

Propriedades mecânicas

O grafite sintético tem alta resistência e dureza, de modo que pode suportar grandes cargas mecânicas e resistir ao desgaste. Isso torna o grafite sintético muito útil na fabricação de componentes mecânicos, materiais estruturais e materiais resistentes ao desgaste. Ao mesmo tempo, a plasticidade do grafite sintético permite que ele seja fabricado em uma variedade de formas e tamanhos por meio de diferentes técnicas de processamento, aumentando sua flexibilidade em aplicações industriais. A resistência à abrasão também o torna ideal para a fabricação de pastilhas de freio, vedações e outros materiais de fricção.

Grafite natural VS grafite sintético

Estrutura

O grafite natural é composto de um único elemento de carbono, e sua estrutura cristalina pertence ao sistema de cristal hexagonal, que é uma estrutura hexagonal em camadas.

O grafite sintético é semelhante ao policristalino na cristalografia e também pode ser visto como um material multifásico. Após a grafitização, o grafite sintético tem um arranjo mais ordenado de átomos de carbono e espaçamento entre camadas do que o grafite natural.

Condutividade térmica

A condutividade térmica do grafite natural é geralmente melhor do que a do grafite sintético e, teoricamente, pode chegar a 2000 W/m-K, dependendo da pureza e da estrutura cristalina do grafite. Sua estrutura em camadas faz com que o calor seja conduzido rapidamente dentro da camada, por isso é excelente em aplicações de alta temperatura.

A condutividade térmica do grafite sintético geralmente está entre algumas centenas e 1.000 W/m-K. Isso geralmente depende do processo de produção e da qualidade da matéria-prima.

Condutividade elétrica

A condutividade elétrica do grafite natural está normalmente entre 10^4 e 10^6 S/m, em função de sua estrutura cristalina e do teor de impurezas. O grafite natural tem uma alta condutividade elétrica, especialmente na direção plana, porque os elétrons podem se mover livremente entre as camadas.

A condutividade elétrica do grafite sintético geralmente está entre 10^3 e 10^5 S/m, normalmente menor do que a do grafite natural. Isso ocorre porque a estrutura e o grau de grafitização do grafite sintético podem não ser tão perfeitos quanto os do grafite natural, resultando em certas restrições ao movimento dos elétrons.

Processo de fabricação de grafite sintético

1. Mistura de matéria-prima

Selecionamos coque de petróleo, coque agulha, etc., que têm alta pureza e boa cristalinidade como agregados. Em seguida, misturamos esses agregados com aglutinantes como carvão, alcatrão, piche etc. em uma determinada proporção e amassamos no equipamento de amassamento a uma temperatura de 150 a 200 °C. Dessa forma, o aglutinante é envolvido uniformemente na superfície das partículas de agregado, formando uma pasta plástica. Normalmente, definimos o piche como um aglutinante para grafite sintético.

2. Moldagem

Moldagem por compressão: Colocamos a pasta no molde e aplicamos uma pressão de 10 a 50 MPa para que a pasta se forme no formato desejado no molde, como bloco, placa etc.

Extrusão moldagem: Para produtos como eletrodos, extrudamos a pasta por meio do molde de uma extrusora para formar um corpo verde cilíndrico ou de outro formato específico.

3. Tratamento térmico

Carbonização: Colocamos o tarugo verde moldado no forno de carbonização. Em seguida, aquecemos o tarugo a 800 - 1000°C a uma taxa de aquecimento de 1 - 5°C/min sob a proteção de gases inertes, como nitrogênio ou argônio. Nesse processo, os elementos que não são carbono no aglutinante escapam na forma de gás, e o carbono restante aglutina ainda mais as partículas agregadas.

Grafitização: Em seguida, coloque o corpo carbonizado em um forno de grafitização e aqueça-o a 2500 - 3000°C a uma taxa de aquecimento de 5 - 10 °C/min. Nessa alta temperatura, os átomos de carbono se reorganizam e a estrutura cristalina muda gradualmente para uma estrutura de grafite.

Usos do grafite sintético

- Setor de baterias:

Os ânodos de grafite sintético têm alta capacidade específica teórica, boa estabilidade de ciclagem e baixo potencial de intercalação de lítio. Eles são amplamente utilizados em vários Bateria de íons de lítio que desempenham um papel fundamental na melhoria do desempenho geral das baterias. Além disso, o grafite é usado para eletrolisar o cátodo de células eletrolíticas para magnésio, alumínio, etc.

- Indústria siderúrgica e metalúrgica:

O grafite pode ser usado como carburante na indústria siderúrgica. No processo de fabricação de aço em forno a arco elétrico, o grafite eletrodo atua como um eletrodo condutor para transmitir energia elétrica para o fornocriando um arco elétrico que derrete a carga. Ele tem boa condutividade elétrica, resistência a altas temperaturas e estabilidade química. Portanto, pode suportar condições adversas, como correntes fortes e erosão de escória em fornos elétricos a arco. Na moderna indústria siderúrgica, os eletrodos de grafite são materiais essenciais indispensáveis para a produção de aços de alta qualidade, como os aços especiais e os aços-liga.

- Materiais de fricção:

O grafite é usado na fabricação de embreagens em sistemas de transmissão mecânica, pastilhas de freio em automóveis e materiais de fricção para lubrificantes de alta temperatura. Por exemplo, a lubrificação e a resistência ao calor de materiais de fricção sintéticos pó de grafite pode reduzir o coeficiente de atrito e reduzir o desgaste. Dessa forma, melhora a vida útil e o desempenho dos materiais de fricção. Isso garante a operação normal dos sistemas de freio e transmissão de automóveis, trens e outros veículos. Além disso, as novas pastilhas de freio de grânulos de grafite sintético são mais excepcionais em termos de atrito e desempenho de frenagem. Esse tipo de pastilha de freio é feito de resina e síntese de grafite.

- Dissipação de calor e materiais de iluminação:

Na eletrônica de potência, como transistores de potência, retificadores, inversores etc., você usará folhas de grafite sintético para dissipar o calor. Esses dispositivos geram muito calor quando estão funcionando. Portanto, uma boa dissipação de calor ajuda a aumentar a confiabilidade e a eficiência do equipamento. Ao mesmo tempo, reduz as falhas e a degradação do desempenho causadas pelo superaquecimento. Por exemplo, as lâmpadas LED geram calor durante o processo de trabalho e, se não conseguirem dissipar o calor a tempo, isso afetará a eficiência luminosa e a vida útil do LED. As folhas de grafite sintético podem ser fixadas em chips de LED ou em substratos de dissipação de calor para dissipar o calor com eficiência. Isso garante a operação normal dos sistemas de iluminação por LED e melhora a qualidade da iluminação e os efeitos de economia de energia.

- Setores aeroespacial e de defesa:

Com alto ponto de fusão, forte resistência a choques térmicos e resistência à corrosão. Ele pode ser usado como combustível nuclear e como material de revestimento em reatores de alta temperatura resfriados a gás. Além disso, o grafite também é usado na fabricação de bicos para foguetes espaciais, peças de motores aeroespaciais e materiais estruturais de isolamento térmico.

Produção nacional de grafite sintético

A China é o maior fabricante de grafite do mundo. Em 2023, a produção de grafite atingiu 2,612 milhões de toneladas, das quais a produção de grafite sintético representa 53,75% e a de grafite natural 46,25%. As exportações chinesas e as exportações líquidas de grafite sintético continuam a crescer, e o superávit comercial mostra uma tendência de expansão.

Em 2021, o mercado de material de ânodo de grafite sintético representava 97,58% do mercado. A partir da situação do mercado, a principal faixa de preço dos produtos de médio porte no mercado de ânodo de grafite sintético é US$2.700-4.100 por tonelada. Entre eles, a faixa de preço principal dos produtos de alta potência é de US$3.700 a 4.700 por tonelada. A faixa de preço principal dos produtos de baixo custo é de US$2,100-3,10o por tonelada.