Синтетический графит: Исчерпывающее руководство

Синтетический графит - это еще одно название искусственного графита. Они бывают разных типов и обладают отличными эксплуатационными характеристиками. Они являются незаменимыми углеродными материалами для промышленного производства. В будущем синтетический графит может развиваться в направлении инноваций и экологичности!

Определение синтетического графита

Синтетический графит - это аморфный углеродный материал, который был искусственно синтезирован и модифицирован. Обычно он производится из углеродистого сырья (такого как уголь, нефтяной кокс и т. д.) путем высокотемпературной обработки и процессов графитизации. Он обладает такими же электрическими, тепловыми и высокотемпературными характеристиками, как и природный графит, но его чистота и структура могут быть изменены по желанию заказчика.

Свойства синтетического графита

Физические свойства

Синтетический графит обладает отличной электро- и теплопроводностью. Это очень подходящий материал для изготовления электродов, батарей и терморегулирования. Кроме того, синтетический графит способен выдерживать экстремальные высокотемпературные условия. Это означает, что его можно использовать в качестве огнеупорного материала и футеровки высокотемпературных печей в металлургической и химической промышленности. Кроме того, его относительно низкая плотность позволяет снизить вес конструкции. В то же время он сохраняет высокую удельную поверхность, что повышает его эффективность в процессах катализа и адсорбции.

Химические свойства

Синтетический графит обладает превосходной коррозионной стойкостью и химической стабильностью. Например, он устойчив к воздействию широкого спектра кислот, щелочей и органических растворителей. Поэтому он подходит для использования в производстве футеровки и резервуаров для хранения химического оборудования. Кроме того, синтетический графит может сохранять стабильность химической структуры и демонстрировать хорошую устойчивость к окислению при высоких температурах. Это особенно важно для высокотемпературных применений, например, в высокотемпературных печах и оборудовании для термообработки.

Механические свойства

Синтетический графит обладает высокой прочностью и твердостью, поэтому он может выдерживать большие механические нагрузки и противостоять износу. Это делает синтетический графит очень полезным в производстве механических компонентов, конструкционных и износостойких материалов. В то же время пластичность синтетического графита позволяет придавать ему разнообразные формы и размеры с помощью различных методов обработки, что повышает его гибкость в промышленном применении. Устойчивость к истиранию также делает его идеальным материалом для производства тормозных колодок, уплотнений и других фрикционных материалов.

Природный графит VS синтетический графит

Структура

Природный графит состоит из одного элемента углерода, а его кристаллическая структура относится к гексагональной кристаллической системе, которая представляет собой гексагональную слоистую структуру.

Синтетический графит похож на поликристаллический по кристаллографии и также может рассматриваться как многофазный материал. После графитизации синтетический графит имеет более упорядоченное расположение атомов углерода и межслоевые расстояния, чем природный графит.

Теплопроводность

Теплопроводность природного графита обычно лучше, чем у синтетического, и теоретически может достигать 2000 Вт/м-К в зависимости от чистоты и кристаллической структуры графита. Его слоистая структура позволяет быстро проводить тепло внутри слоя, поэтому он отлично подходит для высокотемпературных применений.

Теплопроводность синтетического графита обычно составляет от нескольких сотен до 1000 Вт/м-К. Этот показатель часто зависит от процесса производства и качества сырья.

Электропроводность

Электропроводность природного графита обычно составляет от 10^4 до 10^6 С/м, что зависит от его кристаллической структуры и содержания примесей. Природный графит обладает высокой электропроводностью, особенно в направлении плоскости, поскольку электроны могут свободно перемещаться между слоями.

Электропроводность синтетического графита обычно составляет от 10^3 до 10^5 С/м, обычно ниже, чем у природного графита. Это связано с тем, что структура и степень графитизации синтетического графита могут быть не столь совершенны, как у природного графита, что приводит к определенным ограничениям на движение электронов.

Процесс производства синтетического графита

1. Смешивание сырья

В качестве заполнителей мы выбираем нефтяной кокс, игольчатый кокс и т.д., которые имеют высокую чистоту и хорошую кристалличность. Затем смешиваем их со связующими веществами, такими как уголь, деготь, смола и т.д., в определенной пропорции и замешиваем в тестомесильном оборудовании при температуре 150 - 200°C. Таким образом, связующее равномерно обволакивает поверхность частиц заполнителя, образуя пластичную пасту. Обычно в качестве связующего для синтетического графита используют смолу.

2. Формовка

Компрессионное формование: Мы помещаем пасту в форму и прикладываем давление 10 - 50 МПа, чтобы паста сформировалась в желаемую форму в форме, например, блок, пластина и т.д.

Экструзия лепка: Для таких изделий, как электроды, мы выдавливаем пасту через форму экструдера, чтобы сформировать цилиндрическую или другую специфическую форму зеленого тела.

3. Термическая обработка

Карбонизация: Сформированную зеленую заготовку мы помещаем в печь карбонизации. Затем нагреваем ее до 800 - 1000 °C при скорости нагрева 1 - 5 °C/мин под защитой инертных газов, таких как азот или аргон. В этом процессе неуглеродные элементы связующего выходят в виде газа, а оставшийся углерод дополнительно связывает частицы заполнителя.

Графитизация: Затем поместите карбонизированное тело в печь для графитизации и нагрейте его до 2500 - 3000°C при скорости нагрева 5 - 10 °C/мин. При такой высокой температуре атомы углерода перестраиваются, и кристаллическая структура постепенно переходит в графитовую.

Применение синтетического графита

- Аккумуляторная промышленность:

Аноды из синтетического графита обладают высокой теоретической удельной емкостью, хорошей циклической стабильностью и низким потенциалом интеркаляции лития. Они широко используются в различных литий-ионный аккумулятор продукты, которые играют важную роль в улучшении общих характеристик батарей. Кроме того, графит используется для электролиза катода электролитических ячеек для магния, алюминия и т.д.

- Сталелитейная и металлургическая промышленность:

Графит можно использовать в качестве науглероживателя в сталелитейной промышленности. В процессе выплавки стали в электродуговой печи графит электрод действует как проводящий электрод для передачи электрической энергии на печьПри этом возникает электрическая дуга, которая расплавляет шихту. Он обладает хорошей электропроводностью, высокой термостойкостью и химической стабильностью. Поэтому он может выдерживать такие суровые условия, как сильные токи и эрозия шлака в электродуговых печах. В современной сталелитейной промышленности графитовые электроды являются незаменимыми ключевыми материалами для производства высококачественных сталей, таких как специальные стали и легированные стали.

- Фрикционные материалы:

Графит используется при производстве сцеплений в механических трансмиссионных системах, тормозных колодок в автомобилях и высокотемпературных смазочных фрикционных материалов. Например, смазочные свойства и термостойкость синтетических графитовый порошок может снизить коэффициент трения, уменьшить износ. Тем самым улучшая срок службы и эксплуатационные характеристики фрикционных материалов. Это обеспечивает нормальную работу тормозной и трансмиссионной систем автомобилей, поездов и других транспортных средств. Кроме того, появляющиеся тормозные колодки с гранулами синтетического графита обладают более высокими фрикционными и тормозными характеристиками. Этот тип тормозных колодок изготавливается из смолы и синтетического графита.

- Теплоотдача и материалы для освещения:

В силовой электронике, такой как силовые транзисторы, выпрямители, инверторы и т.д., для отвода тепла используется синтетический графитовый лист. Во время работы эти устройства выделяют много тепла. Поэтому хороший отвод тепла помогает повысить надежность и эффективность оборудования. В то же время он уменьшает количество отказов и снижение производительности, вызванных перегревом. Например, светодиодные лампы выделяют тепло в процессе работы, и если они не могут своевременно отводить тепло, это повлияет на эффективность свечения и срок службы светодиодов. Синтетические графитовые листы могут быть прикреплены к светодиодным чипам или теплоотводящим подложкам для эффективного рассеивания тепла. Это обеспечивает нормальную работу светодиодных систем освещения, улучшает качество освещения и энергосберегающий эффект.

- Аэрокосмическая и оборонная промышленность:

Обладает высокой температурой плавления, сильной устойчивостью к тепловому удару и коррозионной стойкостью. Он может использоваться в качестве ядерного топлива и материала оболочки в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах. Кроме того, графит используется для производства сопел для космических ракет, деталей аэрокосмических двигателей и теплоизоляционных конструкционных материалов.

Национальное производство синтетического графита

Китай является крупнейшим в мире производителем графита. В 2023 году объем производства графита достиг 2,612 млн тонн, из которых на синтетический графит приходится 53,75%, а на природный графит - 46,25%. Китайский экспорт и чистый экспорт синтетического графита продолжает расти, а положительное сальдо торгового баланса демонстрирует тенденцию к увеличению.

В 2021 году на рынок синтетических графитовых анодных материалов приходилось 97,58% рынка. Судя по ситуации на рынке, основной ценовой диапазон продуктов среднего уровня на рынке синтетических графитовых анодов составляет US$2,700-4,100 за тонну. Среди них основной диапазон цен на продукцию высокого класса составляет US$3,700-4,700 за тонну. Основной диапазон цен на продукцию низкого класса составляет US$2,100-3,10o за тонну.