Sentetik Grafit: Kapsamlı Bir Kılavuz

Sentetik grafit aynı zamanda yapay grafit için kullanılan başka bir terimdir. Birçok çeşidi vardır ve mükemmel performansa sahiptirler. Endüstriyel üretim için vazgeçilmez karbon bazlı malzemelerdir. Gelecekte, sentetik grafitin inovasyon ve yeşillendirme yönünde gelişebileceğini görebilirsiniz!

Sentetik Grafit Tanımı

Sentetik grafit, yapay olarak sentezlenmiş ve modifiye edilmiş amorf bir karbon malzemedir. Genellikle karbonlu hammaddelerden (kömür, petrol kok kömürü vb.) yüksek sıcaklıkta işlem ve grafitleştirme süreçleri ile üretilir. Doğal grafit ile benzer elektriksel, termal ve yüksek sıcaklık direnci özelliklerine sahiptir, ancak saflık ve yapı ihtiyaca göre değiştirilebilir.

Sentetik grafit özellikleri

Fiziksel özellikler

Sentetik grafit mükemmel elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir. Elektrot, pil ve termal yönetim yapmak için çok uygun bir malzemedir. Ayrıca, sentetik grafit aşırı yüksek sıcaklık ortamlarına dayanabilir. Bu, metalürji ve kimya endüstrilerinde refrakter malzeme ve yüksek sıcaklık fırın astarı olarak kullanabileceğiniz anlamına gelir. Ayrıca, nispeten düşük yoğunluğu yapısal ağırlığın azaltılmasına yardımcı olur. Aynı zamanda, yüksek spesifik yüzey alanını koruyarak kataliz ve adsorpsiyon süreçlerindeki performansını artırır.

Kimyasal özellikler

Sentetik grafit mükemmel korozyon direncine ve kimyasal stabiliteye sahiptir. Örneğin, çok çeşitli asitlere, bazlara ve organik çözücülere karşı dirençlidir. Bu nedenle kimyasal ekipmanlar için astar ve depolama tanklarının üretiminde kullanıma uygundur. Buna ek olarak, sentetik grafit kimyasal yapının kararlılığını koruyabilir ve yüksek sıcaklıklarda iyi oksidasyon direnci sergileyebilir. Bu özellikle yüksek sıcaklık fırınları ve ısıl işlem ekipmanları gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında önemlidir.

Mekanik özellikler

Sentetik grafit yüksek mukavemet ve sertliğe sahiptir, bu nedenle büyük mekanik yüklere dayanabilir ve aşınmaya karşı koyabilir. Bu, sentetik grafiti mekanik bileşenlerin, yapısal malzemelerin ve aşınmaya dayanıklı malzemelerin üretiminde çok kullanışlı hale getirir. Aynı zamanda, sentetik grafitin plastikliği, farklı işleme teknikleriyle çeşitli şekil ve boyutlarda yapılmasına olanak tanıyarak endüstriyel uygulamalardaki esnekliğini artırır. Aşınma direnci de onu fren balataları, contalar ve diğer sürtünme malzemelerinin üretimi için ideal hale getirir.

Doğal grafit VS sentetik grafit

Yapı

Doğal grafit tek karbon elementinden oluşur ve kristal yapısı altıgen katmanlı bir yapı olan altıgen kristal sistemine aittir.

Sentetik grafit, kristalografide polikristaline benzer ve çok fazlı bir malzeme olarak da görülebilir. Grafitleştirmeden sonra sentetik grafit, doğal grafite göre daha düzenli bir karbon atomu düzenine ve katmanlar arası aralığa sahiptir.

Termal iletkenlik

Doğal grafitin ısıl iletkenliği genellikle sentetik grafitten daha iyidir ve grafitin saflığına ve kristal yapısına bağlı olarak teorik olarak 2000 W/m-K değerine ulaşabilir. Katmanlı yapısı ısının katman içinde hızla iletilmesini sağlar, bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarında mükemmeldir.

Sentetik grafitin termal iletkenliği genellikle birkaç yüz ile 1000 W/m-K arasındadır. Bu genellikle üretim sürecine ve hammaddenin kalitesine bağlıdır.

Elektriksel iletkenlik

Doğal grafitin elektrik iletkenliği, kristal yapısı ve safsızlık içeriğine bağlı olarak tipik olarak 10^4 ila 10^6 S/m arasındadır. Doğal grafit, özellikle düzlem yönünde yüksek bir elektrik iletkenliğine sahiptir, çünkü elektronlar katmanlar arasında serbestçe hareket edebilir.

Sentetik grafitin elektrik iletkenliği genellikle 10^3 ile 10^5 S/m arasındadır ve genellikle doğal grafitten daha düşüktür. Bunun nedeni, sentetik grafitin yapısı ve grafitleşme derecesinin doğal grafitinki kadar mükemmel olmayabilmesi ve elektronların hareketi üzerinde belirli kısıtlamalara neden olmasıdır.

Sentetik grafit üretim süreci

1. Hammadde karıştırma

Agrega olarak yüksek saflığa ve iyi kristalliğe sahip petrol kokunu, iğne kokunu vb. seçiyoruz. Daha sonra bunları kömür, katran, zift vb. bağlayıcılarla belirli bir oranda karıştırır ve yoğurma ekipmanında 150 - 200°C sıcaklıkta yoğururuz. Bu şekilde bağlayıcı, agrega parçacıklarının yüzeyine eşit şekilde sarılarak plastik bir macun oluşturur. Tipik olarak, zifti sentetik grafit için bir bağlayıcı olarak tanımlarız.

2. Kalıplama

Sıkıştırma kalıplama: Hamuru kalıba koyarız ve 10 - 50MPa'lık bir basınç uygulayarak hamurun kalıpta blok, plaka vb. gibi istenen şekle girmesini sağlarız.

Ekstrüzyon kalıplama: Elektrotlar gibi ürünler için, silindirik veya başka bir özel yeşil gövde şekli oluşturmak üzere macunu bir ekstrüder kalıbından geçiriyoruz.

3. Isıl işlem

Karbonizasyon: Şekillendirilmiş yeşil kütüğü karbonizasyon fırınına koyarız. Ardından, azot veya argon gibi inert gazların koruması altında 1 - 5 °C/dk ısıtma hızıyla 800 - 1000°C'ye kadar ısıtıyoruz. Bu işlemde, bağlayıcıdaki karbon olmayan elementler bir gaz şeklinde kaçar ve kalan karbon agrega parçacıklarını daha da bağlar.

Grafitleştirme: Daha sonra karbonize edilmiş gövdeyi bir grafitleştirme fırınına yerleştirin ve 5 - 10 °C/dak ısıtma hızıyla 2500 - 3000 °C'ye ısıtın. Bu yüksek sıcaklıkta karbon atomları yeniden düzenlenir ve kristal yapı kademeli olarak grafit yapıya kayar.

Sentetik grafit kullanım alanları

- Akü endüstrisi:

Sentetik grafit anotlar yüksek teorik özgül kapasiteye, iyi çevrim kararlılığına ve düşük lityum interkalasyon potansiyeline sahiptir. Çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. lityum-iyon pil pillerin genel performansının iyileştirilmesinde hayati bir rol oynayan ürünlerdir. Ayrıca grafit, magnezyum, alüminyum vb. için elektrolitik hücrelerin katodunu elektrolize etmek için kullanılır.

- Çelik üretimi ve metalürji endüstrisi:

Grafiti çelik üretim endüstrisinde karbürant olarak kullanabilirsiniz. Elektrik ark ocaklı çelik üretim sürecinde grafit elektrot elektrik enerjisini iletmek için iletken bir elektrot görevi görür. Fırınyükü eriten bir elektrik arkı oluşturur. İyi elektrik iletkenliğine, yüksek sıcaklık direncine ve kimyasal stabiliteye sahiptir. Bu nedenle elektrik ark fırınlarında güçlü akımlar ve cüruf erozyonu gibi zorlu koşullara dayanabilir. Modern çelik endüstrisinde grafit elektrotlar, özel çelikler ve alaşımlı çelikler gibi yüksek kaliteli çeliklerin üretimi için vazgeçilmez anahtar malzemelerdir.

- Sürtünme Malzemeleri:

Grafit, mekanik transmisyon sistemlerindeki debriyajların, otomobillerdeki fren balatalarının ve yüksek sıcaklıktaki yağlayıcı sürtünme malzemelerinin üretiminde kullanılır. Örneğin, sentetik grafitin yağlayıcılığı ve ısı direnci grafit tozu sürtünme katsayısını azaltabilir, aşınmayı azaltabilir. Böylece sürtünme malzemelerinin hizmet ömrünü ve performansını iyileştirir. Bu, otomobillerin, trenlerin ve diğer araçların frenleme ve aktarma sistemlerinin normal çalışmasını sağlar. Buna ek olarak, ortaya çıkan sentetik grafit granül fren balataları sürtünme ve frenleme performansında daha üstündür. Bu tip fren balatası reçine ve grafit sentezinden yapılır.

- Isı Dağıtımı ve Aydınlatma Malzemeleri:

Güç transistörleri, redresörler, invertörler vb. gibi güç elektroniğinde ısıyı dağıtmak için sentetik grafit levha kullanacaksınız. Bu cihazlar çalışırken çok fazla ısı üretirler. Bu nedenle, iyi bir ısı dağılımı ekipmanın güvenilirliğini ve verimliliğini artırmaya yardımcı olur. Bu arada, aşırı ısınmadan kaynaklanan arızaları ve performans düşüşünü azaltır. Örneğin, LED ışıklar çalışma sürecinde ısı üretecek ve ısıyı zamanında dağıtamazlarsa, LED'in ışık verimliliğini ve ömrünü etkileyecektir. Sentetik grafit levhalar, ısıyı etkili bir şekilde dağıtmak için LED çiplerine veya ısı dağıtma alt tabakalarına tutturulabilir. Bu, LED aydınlatma sistemlerinin normal çalışmasını sağlar ve aydınlatma kalitesini ve enerji tasarrufu etkilerini iyileştirir.

- Havacılık ve savunma sanayileri:

Yüksek erime noktası, termal şoka karşı güçlü direnç ve korozyon direnci ile. Nükleer yakıt olarak ve yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı reaktörlerde kaplama malzemesi olarak kullanılabilir. Ayrıca grafit, uzay roketleri için nozullar, havacılık motor parçaları ve ısı yalıtım yapı malzemeleri üretmek için de kullanılır.

Ulusal Sentetik Grafit Üretimi

Çin dünyanın en büyük grafit üreticisidir. 2023 yılında grafit üretimi 2,612 milyon tona ulaşmış olup, bunun 53,75%'sini sentetik grafit ve 46,25%'sini doğal grafit oluşturmaktadır. Çin'in sentetik grafit ihracatı ve net ihracatı artmaya devam ediyor ve ticaret fazlası genişleyen bir eğilim gösteriyor.

2021 yılında sentetik grafit anot malzemesi pazarı, pazarın 97,58%'sini oluşturdu. Pazar durumuna bakıldığında, sentetik grafit anot pazarındaki orta sınıf ürünlerin ana fiyat aralığı ton başına US$2,700-4,100'dür. Bunlar arasında, üst düzey güç ürünlerinin ana fiyat aralığı ton başına US$3,700-4,700'dür. Düşük kaliteli ürünlerin ana fiyat aralığı ise ton başına US$2,100-3,10o'dur.