Что такое графит и из чего его делают?

Графит, являющийся аллотропом углерода, часто встречается в повседневной жизни и промышленном производстве. Что же это такое? Это металл, минерал или элемент? Из чего он состоит? В этой статье мы глубоко исследуем природу графита, раскроем слои его тайн. И в полной мере покажет неповторимое очарование и важную ценность графита в области науки и применения.

Определение графита

Графит - это кристаллическая форма углерода, обычно представляющая собой серо-черное и непрозрачное твердое состояние, обладающее уникальным металлическим блеском. Но иногда у него есть и другая форма - аморфная, состоящая из неравномерного расположения атомов графита. Его текстура относительно мягкая, эта мягкость позволяет ему оставлять четкие следы на бумаге. Благодаря этому свойству графит также стал основным компонентом грифеля для карандашей. По своей химической сути графит относится к аллотропу углерода, который состоит из атомов углерода, как алмаз, фуллерен и другие вещества. Однако расположение атомов углерода в этих веществах сильно отличается, что приводит к огромным различиям в их физических и химических свойствах.

Графит - это металл или минерал?

Графит - это не металл, а минерал. Металл обычно обладает хорошей электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью и другими типичными характеристиками. Хотя графит обладает определенной степенью электро- и теплопроводности, он не обладает пластичностью, характерной для металлов. Графит является продуктом естественного происхождения в результате сложных геологических процессов и соответствует определению минерала. В природе он существует в определенных породах и месторождениях. И является важной формой углерода в длительном цикле и процессе эволюции земного круга, свидетельствуя о движении и изменении материалов в земных недрах.

Является ли графит элементом?

Графит - это не элемент, а единое вещество, состоящее из углерода. Элемент - это группа атомов, имеющих одинаковое количество ядерных зарядов (протонов). Графит - это материальное образование, образованное большим количеством атомов углерода, связанных между собой особыми химическими связями. Такое чистое вещество, состоящее из одних и тех же элементов, называется элементарным. Графит - это особая форма существования элементарного углерода. Его уникальная кристаллическая структура и физико-химические свойства демонстрируют богатые и разнообразные свойства углерода.

Является ли графит углеродом?

Графит - это аллотроп углерода, полностью состоящий из элемента углерода. Внутри графита атомы углерода расположены и соединены особым образом, образуя уникальную кристаллическую структуру. Эта структура придает графиту множество особых свойств. Так что он и другие аллотропы углерода, такие как алмаз (известный своими твердыми и прозрачными свойствами), фуллерен (с уникальной сферической или трубчатой структурой), по внешнему виду, физическим и химическим свойствам существенно отличаются. Во многих областях они играют разные роли.

Откуда берется графит?

Природные источники

Естественные источники графита в природе более обширны. Часть графита может содержаться в метаморфических породах. Например, в процессе регионального метаморфизма исходные углеродсодержащие отложения (такие как угольные пласты) постепенно превращаются в графит путем сложной метаморфической кристаллизации в экстремальных условиях высокой температуры и давления. Кроме того, некоторые виды графита происходят из магматических пород. Когда магма проникает в земную кору, углерод, содержащийся в ней, кристаллизуется в определенных геологических условиях и физико-химических условиях. Так образуется графит. Природные месторождения графита распространены во многих странах и регионах мира, среди которых Китай, Бразилия, Индия и другие страны обладают относительно богатыми природными ресурсами графита. Они обеспечивают важную материальную основу для развития глобальных отраслей промышленности, связанных с графитом.

Искусственный графит

С быстрым развитием современных промышленных технологий производство искусственного графита постепенно становится важной частью поставок графита. Искусственный графит обычно производится путем высокотемпературной термообработки специфического углеродсодержащего сырья (например, нефтяного кокса, асфальтового кокса и т.д.). При этом происходит преобразование аморфный углерода в графит. При высоких температурах неуглеродные элементы, содержащиеся в углеродсодержащем сырье, постепенно улетучиваются. Атомы углерода перестраиваются и кристаллизуются, образуя искусственный графит со структурой, схожей с природным графитом. Производство искусственного графита обладает высокой степенью управляемости. Можно точно контролировать его чистоту, кристаллическую структуру и физико-химические свойства в соответствии с различными потребностями промышленного применения. Таким образом, он широко используется во многих областях, таких как сталь, батареи, огнеупоры и так далее. Это обеспечивает сильную поддержку для развития современной промышленности.

Виды графита

В целом, графит можно разделить на природный и синтетический двух типов.

 Натуральный графит

К природному графиту также относятся чешуйчатый графит, кристаллический графит и криптокристаллический графит.

Чешуйчатый графит характеризуется крупной и тонкой формой чешуек с широким диапазоном диаметра, варьирующимся от нескольких десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Эти чешуйки обладают хорошей электро- и теплопроводностью в направлении плоскости, а их слоистая структура придает им отличные смазочные свойства.

Кристаллические кристаллы графита хорошо развиты, имеют явную гексагональную пластинчатую форму. Его чешуйки относительно крупные, а диаметр срезов часто превышает 0,1-0,2 мм. Этот тип графита не распространен в природе. Но благодаря своей превосходной кристаллической структуре и уникальным свойствам он играет важную роль во многих высокотехнологичных областях промышленности.

Кристалл афанитового графита очень мал и существует в виде микрокристаллических агрегатов. А специфическая форма кристалла едва различима невооруженным глазом. Содержание фиксированного углерода в нем находится на высоком уровне, примерно в диапазоне 60%-80%. В промышленности криптокристаллический графит может использоваться в качестве литейных и огнеупорных материалов.

Синтетический графит

Синтетический графит бывает трех типов, каждый из которых обладает уникальными свойствами и областью применения.

Чистота графита высокой чистоты чрезвычайно высока, содержание примесей очень низкое, обычно более 99,9%. Благодаря отличной химической стабильности и высокой электропроводности он играет ключевую роль в производстве полупроводников, химической промышленности высокого класса и других отраслях со строгими требованиями к чистоте.

Изостатический прессованный графит образуется в процессе изостатического прессования и обладает характеристиками однородной структуры и изотропии. Он обладает превосходной механической прочностью, устойчивостью к высоким температурам и термическим ударам, отлично работает в металлургии, EDM и других областях.

Расширенный графит изготавливается из природного графита путем специальной обработки и имеет уникальную червеобразную структуру. Он может быстро расширяться при высоких температурах, образуя материал с превосходными теплоизоляционными и герметизирующими свойствами. В области огнезащитных материалов расширенный графит может быть использован для производства огнезащитных уплотнений, огнезащитных покрытий и т.д.. Он может эффективно предотвращать распространение огня.

Из чего состоит графит?

Графитовый элемент

Основной составляющий элемент графита - углерод. В графите атомы углерода соединены друг с другом ковалентными связями, образуя плоскую сеть шестиугольников. Эти плоскостные сетевые структуры укладываются в пространстве слой за слоем, образуя уникальную кристаллическую структуру графита. Каждый атом углерода образует ковалентную связь с тремя окружающими атомами углерода. Наличие этих ковалентных связей придает графиту высокую стабильность и прочность внутри слоя. А также закладывает основу для некоторых его особых свойств, таких как электро- и теплопроводность.

Химическая формула графита

Химическая формула графита обычно обозначается буквой C, что однозначно указывает на то, что он полностью состоит из углерода. Несмотря на простую химическую формулу, графит проявляет сложные и разнообразные физические и химические свойства. Это обусловлено уникальным расположением атомов углерода и существованием множества форм химической связи. Эта особенность - состоять из одного элемента, но обладать богатыми свойствами - позволяет графиту занимать уникальное положение в области материаловедения. А также делает его объектом многочисленных исследований и применений.

Структура графита

Углерод Расположение атомов углерода в графите

В микроструктуре графита углерод располагается в виде слоев. Атомы углерода демонстрируют замечательную особенность слоистого расположения. Каждый слой атомов углерода тесно расположен, образуя огромную гексагональную планарную сетевую структуру. Атомы углерода тесно связаны между собой ковалентными связями. Благодаря этому плоские слои обладают высокой стабильностью и прочностью и могут выдерживать определенное внешнее воздействие без повреждений. Слой между слоями находится в слабом ван-дер-ваальсовом взаимодействии. Эта относительно слабая межслоевая сила заставляет графит между слоем и слоем при небольшом внешнем усилии легко скользить, тем самым обеспечивая графиту хорошую смазку и гибкость. Таким образом, он должен уменьшать трение и обладать определенной способностью к деформации в сценарии применения.

Связывание

Ковалентная связь между атомами углерода в графитовом слое - это прочная химическая связь. Она не только обеспечивает стабильность и целостность графитового слоя, но и оказывает глубокое влияние на физические свойства графита. Благодаря наличию ковалентных связей электроны могут относительно свободно перемещаться между атомами углерода в слое. Благодаря этому графит обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью внутри слоя и может эффективно передавать ток и тепло.

Ван-дер-Ваальсовы силы между слоями относительно слабы. И ее вклад в физические свойства графита, такие как твердость и плотность, меньше, чем у ковалентных связей. Этот синергетический эффект внутрислойных ковалентных связей и межслойных ван-дер-ваальсовых сил создает уникальные анизотропные свойства графита. То есть физико-химические свойства графита в направлении слоя и вертикального слоя существенно отличаются. И это свойство необходимо в полной мере учитывать при применении материалов для достижения оптимального использования свойств графита.

Свойства графита

Физические свойства

Цвет

Графит обычно имеет серо-черный цвет. Формирование этого цвета тесно связано с внутренней электронной структурой графита и его характеристиками поглощения и отражения света. Атомы углерода в графите поглощают и рассеивают видимый свет благодаря особым химическим связям и распределению электронного облака. Таким образом, большая часть видимого света поглощается, и только небольшое количество света отражается или рассеивается. Таким образом, на макроуровне создается серо-черный визуальный эффект. Более того, непрозрачная природа графита придает его внешнему виду уникальную текстуру, резко контрастирующую с другими прозрачными или полупрозрачными материалами.

Плотность

Плотность графита относительно невелика - около 2,09-2,23 г/см 3. Удельный вес также невелик. Эта характеристика делает графит явным преимуществом в некоторых сценариях применения с жесткими требованиями к весу. Например, при разработке некоторых компонентов в аэрокосмической области, если необходимо использовать материалы, обладающие определенной степенью электропроводности и смазывающей способности, но при этом способные снизить общий вес. Тогда графит становится очень потенциальным материалом-кандидатом.

Температура плавления

Графит имеет очень высокую температуру плавления, около 3652 °C - 3697 °C. Эта превосходная высокотемпературная стабильность позволяет графиту сохранять свою структуру и свойства относительно стабильными в условиях экстремально высоких температур. В выплавке чугуна и стали, производстве огнеупорных материалов и других высокотемпературных промышленных процессах графит играет важную роль.

Электропроводность

Графит обладает превосходной электропроводностью в слое, что обусловлено образованием стабильной электронно-облачной структуры между атомами углерода в слое за счет ковалентных связей. И электроны могут относительно свободно перемещаться в этой структуре, что позволяет добиться эффективной проводимости тока. В то же время теплопроводность графита также очень хороша, и он может быстро передавать тепло.

Смазка

Смазочные свойства смазочного графита обусловлены его уникальной слоистой структурой. Поскольку ван-дер-ваальсовы силы между слоями слабы. Когда графит подвергается воздействию внешней силы, между слоями легко возникает относительное скольжение. И этот процесс скольжения может эффективно снизить коэффициент трения, чтобы играть хорошую роль смазки. Будь то ежедневное смазочное обслуживание различного механического оборудования в машиностроительной промышленности или смазочные потребности в некоторых специальных средах (таких как высокая температура, высокое давление или химическая коррозия), графит может показать отличные смазочные эффекты.

Химические свойства

Коррозионная стойкость графита

Графит обладает хорошей устойчивостью к кислотам и щелочам. Он может сохранять относительно стабильную структуру и работоспособность в растворах кислот и щелочей в определенном диапазоне концентраций. Это связано с тем, что атомы углерода в графите образуют стабильную химическую структуру энергии связи через ковалентные связи. Благодаря этому графит трудно разрушить ионами в растворах кислот и щелочей. Благодаря такой устойчивости к кислотам и щелочам графит находит применение в некоторых коррозионных средах химической промышленности.

Реактивность с другими материалами

При нормальных температурных условиях химические свойства графита относительно стабильны. Он нелегко вступает в химическую реакцию с большинством распространенных веществ. Однако при воздействии высокой температуры, высокого давления или специфической химической среды графит может вступать в реакцию с некоторыми окислителями (такими как кислород, концентрированная серная кислота и т. д.).

Например, при достаточном количестве кислорода и повышении температуры до определенной степени графит подвергается реакции окисления и постепенно превращается в такие продукты, как диоксид углерода. Такая реакционная способность в определенной степени ограничивает применение графита в некоторых экстремальных окислительных средах. Но она также предоставляет возможность для специальной обработки и модификации графита.

Коэффициент теплового расширения

Графит обладает низким коэффициентом теплового расширения, что обеспечивает ему хорошую стабильность размеров при изменении температуры. По сравнению со многими другими материалами, объем графита очень мало изменяется в процессе сильного повышения и понижения температуры.

В некоторых областях применения, где требуется высокая точность размеров материалов, такой низкий коэффициент теплового расширения графита особенно важен. Он позволяет эффективно избежать таких проблем, как деформация компонентов и снижение точности сборки, вызванных колебаниями температуры. Таким образом, обеспечивается нормальная работа и стабильная производительность оборудования или приборов в различных температурных условиях.

Окисление

Хотя графит демонстрирует сильную устойчивость к окислению и коррозии при комнатной температуре, в экстремальных условиях, таких как высокая температура, высокая влажность или сильная окислительная среда, графит постепенно окисляется и коррозирует. Например, при длительном воздействии высокой температуры в воздухе атомы углерода на поверхности графита вступают в реакцию с кислородом, образуя оксидный слой.

А со временем постоянное утолщение оксидного слоя приведет к изменению структуры и характеристик графита. Например, к снижению проводимости и прочности. Поэтому в некоторых областях применения с высокими требованиями к стойкости графита к окислению часто необходимо проводить специальную обработку поверхности графита. Или добавлять антиоксиданты и принимать другие меры. Чтобы повысить его антиоксидантную способность и обеспечить стабильность характеристик и надежность графитовых материалов в процессе эксплуатации.

Механические свойства

Твердость и прочность

Прочность и твердость графита относительно невелики, а его твердость по шкале Мооса составляет около 1-2. Благодаря этому свойству графиту относительно легко придавать различные формы в процессе обработки. Например, при производстве стержней для карандашей, смешивая графит и другие материалы, такие как глина, в различных пропорциях и прессуя, удобно изготавливать стержни для ручек с различными уровнями твердости для удовлетворения различных потребностей в письме. Однако, хотя общая прочность графита невелика, он все же имеет определенное значение использования прочности в некоторых конкретных направлениях. Например, в направлении графитового слоя.

 Эластичность

Благодаря уникальной слоистой структуре графита, он обладает определенной гибкостью и эластичностью. При воздействии небольшой внешней силы мы можем согнуть и деформировать слоистую структуру графита до определенной степени. А когда внешняя сила снимается, мы можем восстановить графит до первоначальной или близкой к ней формы. Такая гибкость и эластичность делает графит потенциально перспективным для применения в некоторых гибких электронных устройствах, уплотнительных материалах и других развивающихся областях.

Анизотропия

Анизотропный графит обладает чрезвычайно ярко выраженными анизотропными свойствами. То есть его физические и химические свойства существенно отличаются в разных направлениях. Если говорить о проводящих свойствах, то проводимость вдоль слоя графита значительно выше, чем проводимость в вертикальном слое. Это обусловлено тем, что ковалентные связи способствуют проводимости электронов, а межслоевые ван-дер-ваальсовы силы препятствуют проводимости электронов.

С точки зрения твердости и прочности, твердость и прочность вертикального слоя относительно высоки. Потому что силы Ван-дер-Ваальса между слоями ограничивают относительное скольжение между слоями до определенной степени. В то время как скольжение и деформация более вероятны из-за слабых межслойных сил. Эта анизотропная характеристика требует особого внимания и учета в процессе применения графита. В соответствии с конкретными требованиями к применению целесообразно выбирать и использовать преимущества свойств графита в различных направлениях. Это позволит максимально эффективно использовать характеристики графитового материала и оптимизировать эффект от его применения.

Тепловые и электрические свойства

Существует тесная внутренняя взаимосвязь между тепловыми и электрическими свойствами графита, а также тепловыми свойствами и отличными эксплуатационными характеристиками. Его высокая теплопроводность достаточна для быстрого выделения тепла, что имеет большое прикладное значение в области теплоотвода электронного оборудования. В то же время хорошая электропроводность графита позволяет ему эффективно пропускать ток, являясь отличным проводником в цепи.

Другие свойства

Помимо множества вышеперечисленных свойств, графит обладает и некоторыми другими особыми свойствами. Например, графит обладает определенными адсорбционными свойствами. Его богатая структура пор и большая удельная поверхность могут поглощать некоторые газы и небольшие молекулы. Это свойство имеет потенциальное применение в газоочистке и очистке сточных вод в области охраны окружающей среды. При соответствующей модификации и обработке графита его адсорбционные характеристики могут быть еще более улучшены. Он может быть использован для удаления вредных газов в воздухе (таких как формальдегид, диоксид серы и т.д.) или ионов тяжелых металлов в воде, органических загрязнителей и т.д.

6 Сферы применения графита

В карандашах

Графит - ключевой компонент грифеля для карандашей. Благодаря своей мягкой текстуре и уникальной слоистой структуре, он может оставлять четкие следы на бумаге после смешивания и регулировки твердости с глиной для удовлетворения потребностей письма и рисования. От обучения студентов до художественного творчества, он широко используется во всех видах письменных принадлежностей. Это позволяет людям свободно выражать свои идеи и творческие способности.

В качестве смазки

Графит как смазочный материал обладает хорошей смазывающей способностью благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам в среднем слое и межслоевой слоистой структуре. Он широко используется в механической промышленности. Будь то внутренние подвижные части автомобильного двигателя или промышленные детали механической трансмиссии. Или даже аэрокосмические детали высокой температуры и высокого давления, графитовый порошок может эффективно снизить трение, уменьшить износ. Кроме того, он обеспечивает бесперебойную и эффективную работу оборудования и продлевает срок его службы.

Производство стали

Графит играет важную роль в сталелитейном производстве. Как электродОн может вводить ток для получения тепла Джоуля при плавлении стального лома. Как карбюризатор, содержание углерода в расплавленной стали может быть точно отрегулировано. Изготовленная из материала футеровка печи, в силу высокой термостойкости и коррозионной стойкости, защищает корпус сталеплавильной печи от повреждения расплавленной сталью и шлаком высокой температуры. Кроме того, графит обладает определенной удельной теплоемкостью. Он может поглощать и отдавать тепло во время процесса выплавки стали, помогая регулировать колебания температуры в печи. Эффективная поддержка эффективного, безопасного и стабильного развития сталеплавильного процесса.

Аккумулятор

Графит имеет большое значение для аккумуляторов и обычно используется в качестве материала отрицательного электрода в литий-ионных аккумуляторы. Его слоистая структура обеспечивает пространство для встраивания и выемки ионов лития, встраивания для зарядки, разрядки, с хорошими проводящими свойствами. Это обеспечивает цикл заряда и разряда батареи. В исследованиях новых аккумуляторных технологий он также рассматривается как основной материал. Это играет роль в содействии развитию новых накопителей энергии.

Огнеупорные материалы

Графит обладает высокой температурой плавления и высокой температурной стабильностью, является высококачественным огнеупорным материалом. В металлургии, керамике, стекле и других промышленных высокотемпературных процессах, используется в производстве огнеупорного кирпича, футеровки тигли и так далее. Он может противостоять эрозии металлического расплава и шлака в высокотемпературной среде, сохранять стабильность конструкции. Сокращение теплопотерь, снижение риска несчастных случаев и создание прочной линии безопасности для высокотемпературного промышленного производства.

Ядерные реакторы

Графит служит замедлителем нейтронов в ядерных реакторах. Сталкиваясь с нейтронами, быстрые нейтроны замедляются до тепловых нейтронов. Таким образом, они контролируют скорость реакции ядерного деления и обеспечивают стабильную работу реактора. Ранние ядерные реакторы имеют множество применений. Но графит изменяется под воздействием высокой температуры и нейтронного облучения, что требует специальных технических мер для обеспечения долгосрочного безопасного использования.

Заключение

Являясь аллотропом углерода, графит обладает различными свойствами и широко используется. Его различные характеристики связаны друг с другом, что определяет эффективность в различных сценариях. Графит незаменим в самых разных сферах - от повседневных карандашей до промышленного производства стали, от изготовления аккумуляторов до высокотехнологичных ядерных реакторов. С развитием науки и техники графит обладает огромным потенциалом в новых областях. Он будет занимать все более важное место в материаловедении, глобальной стратегии использования ресурсов и стратегии устойчивого развития. И он будет продолжать способствовать прогрессу человеческого общества.