О пиролитическом графите

Пиролитический графит - это поликристаллический графит, получаемый в результате разложения углеводородного газа. Это искусственное соединение похоже на графит. Однако он обладает множеством уникальных свойств. Благодаря этому его используют в различных отраслях промышленности для решения самых разнообразных задач. В этом посте вы получите исчерпывающую информацию о пиролитическом графите, его характеристиках и областях применения. Давайте начнем.

Обзор соединения пиролитического графита

Пиролитический графит - это форма графита, получаемая при разложении углеводородного газа.

Когда температура углеводородного газа достигает стадии разложения в вакуумной атмосфере, он образует высокоориентированные графитовые слои.

От обычного графита его отличает кристаллическая структура. В отличие от природного графита, он имеет упорядоченные атомы углерода. Кроме того, он чрезвычайно анизотропный.

Давайте познакомимся с его характеристиками.

Характеристики/Свойства пиролитического графита

Пиролитический графит обладает разнообразными характеристиками. Благодаря следующим свойствам этот графит находит применение во многих отраслях промышленности.

Высокая теплопроводность

Пиролитический графит славится своей высокой теплопроводностью в плоскости благодаря сильным ковалентным связям.

При комнатной температуре она может достигать 2000 Вт/м-К. Это качество делает данный материал идеальным для таких изделий, как теплораспределители и радиаторы.

Высокая электропроводность

Пиролитический графит имеет анизотропную, слоистую структуру. Благодаря этому он отлично пропускает электрический ток. Электроны в этом графите легко перемещаются по связанным атомам углерода.

Устойчивость к высоким температурам

Пиролитический графит способен выдерживать очень высокие температуры. Это термодинамически стабильный углерод. Благодаря этому он сохраняет свою химическую структуру при высоких температурах. Соединение прекрасно работает даже при температуре 3500 °C в неокислительной атмосфере.

Химическая стабильность

Пиролитический графит химически инертен. Он не реагирует с большинством кислот, щелочей и растворителей при комнатной температуре. Он может противостоять широкому спектру химических воздействий. Поэтому инженеры-ядерщики используют его в ядерных реакторах.

Механическая прочность

Пиролитический графит имеет небольшой вес, но при этом обладает хорошей механической прочностью. Его предел прочности при растяжении в плоскости составляет от 20 до 40 МПа.

Коэффициент трения

Пиролитический графит имеет ничтожно малый коэффициент трения, особенно в условиях отсутствия смазки. Поэтому его применяют в тех случаях, когда снижение трения имеет решающее значение.

Вы можете заметить его использование в уплотнениях, подшипниках и различных скользящих компонентах.

Как производится пиролитический графит?

Пиролитический графит изготавливается методом химического осаждения из паровой фазы. Инженеры наносят атомы углерода на подложку при экстремальных температурах тонкими слоями.

Давайте изучим весь процесс шаг за шагом.

Выбор источника углеводородов

Сначала производители выбирают углеродсодержащий газ для изготовления пиролитического графита. Таким газом может быть метан, ацетилен или пропан. Он работает как источник углерода для создания графитовых структур.

Формирование субстрата

После того как газ выбран, необходимо найти подходящую подложку. Как правило, производители предпочитают использовать в качестве подложки графит. Ведь он способен выдерживать высокие температуры. Подложка позволяет атомам углерода укладываться в графитовую структуру.

Процесс химического осаждения из паровой фазы (CVD)

Углеводородный газ попадает в печь. Температура в печи составляет от 200 до 300°C.

Под воздействием экстремальной температуры газ разлагается на углерод и водород. Водород выделяется в качестве отработанного продукта, а атомы углерода накапливаются на поверхности подложки.

Осаждение

Осаждение атомов углерода происходит тонким слоем под воздействием контролируемого давления. Эти слои атомов углерода создают упорядоченную структуру пиролитического графита.

Поскольку атомы хорошо выровнены в слоях, пиролитический графит становится анизотропным.

Охлаждение

После послойного осаждения атомов углерода следует процесс охлаждения.

Теперь производители могут извлекать графит из печи и придавать ему нужную форму

.

Весь процесс производства проходит строгий контроль качества. Это гарантирует, что пиролитический графит обладает необходимыми электрическими и термическими свойствами.

Приложения 

Ядерные реакторы

Энергетические и атомные компании по всему миру используют пиролитический графит в качестве материала-замедлителя в конструкциях ядерных реакторов.

Сайт AGR и газоохлаждаемые реакторы MAGNOX в Великобритании - прекрасный тому пример.

Поскольку пиролитический графит представляет собой анизотропную форму углерода, он используется в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах (HTGR) и реакторах на быстрых нейтронах. Устойчивость графита к тепловому удару и химическим веществам делает его пригодным для использования в атомной промышленности.

В качестве замедлителя графит замедляет нейтроны во время реакций деления, помогая реактору работать идеально.

Ядерщики также используют пиролитический графит для изготовления конструкционных материалов. Он покрывает частицы ядерного топлива.

В газоохлаждаемых реакторах топливо заключено в трехструктурные изотропные частицы. Покрытие из графита защищает топливо.

Он также служит барьером и защищает реакторы от радиоактивных материалов. Этот графит не теряет своей структурной целостности даже при температурах, превышающих 1 000°C.

Батареи

Производители аккумуляторов используют пиролитический графит в различных сферах. Он играет большую роль в современных аккумуляторных технологиях. 

В литий-ионных батареях также используется этот графит благодаря его превосходной электропроводности и термической стабильности.

В таких батареях графит используется в качестве носителя для ионов лития во время циклов зарядки и разрядки.

Кроме того, производители используют этот графит в качестве отрицательного электрода в перезаряжаемых литиевых батареях.

Слоистая структура пиролитического графита позволяет ионам лития интеркалировать между его слоями. В результате создается обратимый механизм накопления энергии.

В отличие от других анодных материалов, эта форма графита способна выдерживать высокие температуры и химические реакции. Это помогает батарее работать в экстремальных условиях. Такие батареи широко распространены в электромобилях и аэрокосмической промышленности.

Технология топливных элементов

Он играет важнейшую роль в технологии топливных элементов. Одним из ярких примеров являются листы пиролитического графита.

Эти листы в топливном элементе поддерживают температуру и отводят отработанное тепло. Твердооксидные топливные элементы с высокими температурами зависят от этого графита для управления теплом.

Графеновые транзисторы

Графеновый транзистор - это наноразмерное устройство, используемое в устройствах беспроводной связи, электронном текстиле, радарных системах и складных смартфонах.

В транзисторе в качестве полупроводникового материала используется графен. Пиролитический графит играет важную роль в производстве графена. Он служит материалом-предшественником для производства графена.

Графит также обеспечивает эффективное управление теплом в графеновых транзисторах.

Сопло ракеты

Ракетчики используют пиролитический графит в соплах ракет благодаря его превосходной структурной целостности и тепловым свойствам.

Горловина и камеры ракеты, покрытые пиролитическим графитом, выдерживают температуру свыше 3 000°C. Кроме того, этот графит не разрушается под воздействием горячих газов, выходящих из сопла.

Лаборатория ракетного движения ВВС также использовала горловые вставки с покрытием из пиролитического графита в своей ракете в 1974 году.

Медицинские диагностические инструменты

Вы также можете заметить использование пиролитического графита в многочисленном диагностическом оборудовании.

Он минимизирует поле неоднородностей в аппаратах МРТ. Поэтому он естественным образом улучшает четкость и детализацию магнитных полей.

Благодаря своей биосовместимости графитовое соединение также используется в компонентах кардиостимуляторов.

Пиролитический графит не вступает в реакцию с тканями и жидкостями организма. Следовательно, вам не нужно беспокоиться об осложнениях.

Электрохимические датчики помогают проверить уровень холестерина и глюкозы. Знаете ли вы, что в этих датчиках также используется пиролитический графит?

Эта графитовая форма имеет высокопроводящую поверхность. Поэтому он обеспечивает эффективный перенос электронов и всегда дает надежные показания.

Кроме того, устойчивость к коррозии помогает электрохимическим датчикам выдерживать различные биологические среды.

Электрохимический

Выдающаяся химическая стабильность и электропроводность делают пиролитический графит пригодным для различных электрохимических применений. Он служит электродным материалом в различных электрохимических элементах, таких как конденсаторы и батареи.

Этот графит способствует быстрому переносу электронов между электродом и аналитом. В результате это помогает в обнаружении нейротрансмиттеров.

Рентгеновские трубки

Рентгеновская трубка используется в промышленном контроле и медицинской визуализации. В этих трубках в качестве материала подложки анода мишени используется пиролитический графит. Анод предназначен для превращения кинетической энергии ускоренных электронов в рентгеновское излучение.

Во время этого процесса анод может перегреться. К счастью, высокая теплопроводность пиролитического графита рассеивает тепло, выделяемое при производстве рентгеновских лучей. Таким образом, увеличивается срок службы трубки.

Лазерный свет

Некоторые компании используют пиролитический графит в системах лазерного освещения. Это соединение обладает отличительными оптическими и термическими свойствами, позволяющими ему выдерживать интенсивное воздействие лазерного луча.

В 2012Исследовательская группа из Японии продемонстрировала, что пиролитический графит реагирует на лазерное излучение. Они также исследовали, что соединение реагирует на естественный солнечный свет, двигаясь в направлении градиента поля.

Для поглощения энергии лазера и быстрого рассеивания тепла используется графит. Устройство используется для поглощения избыточной энергии лазерных лучей.

Системы лазерной гравировки также используют пиролитический графит в качестве подложки. Поскольку этот графит устойчив к лазерной абляции, он обеспечивает точную лазерную маркировку и резку.

Кроме того, в мощных лазерных установках можно встретить зеркала из пиролитического графита. Эти зеркала отражают лазерные лучи, не подвергаясь воздействию высоких температур.

Заключение

Это подробное руководство по пиролитическому графиту. Рассматривая все вместе, можно сказать, что эта форма графита является универсальным материалом. Его анизотропные электрические свойства, теплопроводность и устойчивость к высоким температурам делают его идеальным для широкого спектра применений. 

В разных отраслях промышленности он используется по-разному. В ближайшие годы мы можем увидеть его применение в различных других современных технологиях и инновациях

Мы надеемся, что это исчерпывающее руководство предоставит вам достаточную информацию о пиролитическом графите.