Що таке графіт і з чого його виготовляють?

Графіт, як алотроп вуглецю, часто зустрічається у повсякденному житті та промисловому виробництві. Що ж це таке? Метал, мінерал чи елемент? З чого він виготовляється? Ця стаття глибоко дослідить природу графіту, розкриє його шари таємниць. І повністю покаже унікальну чарівність і важливу цінність графіту в галузі науки та застосування.

Визначення графіту

Графіт - це кристалічна форма вуглецю, яка зазвичай має сіро-чорний непрозорий твердий стан з унікальним металевим блиском. Але іноді він має іншу форму - аморфну, яка складається з неправильного розташування атомів графіту. Його текстура відносно м'яка, ця м'якість дозволяє йому залишати чіткі сліди на папері. Завдяки цій властивості графіт також став основним компонентом грифеля для олівців. За хімічною суттю графіт належить до алотропів вуглецю, які складаються з атомів вуглецю, як алмаз, фулерен та інші речовини. Однак спосіб розташування атомів вуглецю в цих речовинах дуже різний, що призводить до величезних відмінностей у їхніх фізичних і хімічних властивостях.

Графіт - це метал чи мінерал?

Графіт - це не метал, а мінерал. Метал зазвичай має хорошу електропровідність, теплопровідність, пластичність та інші типові характеристики. Хоча графіт має певний ступінь електро- і теплопровідності, він не має пластичності, характерної для металів. Графіт є природним продуктом складних геологічних процесів і відповідає визначенню мінералу. У природі він існує в певних гірських породах і родовищах. Він є важливою формою вуглецю в довгому циклі та процесі еволюції земного кола, спостерігаючи за рухом і зміною матеріалів у земних надрах.

Чи є графіт елементом?

Графіт - це не елемент, а єдина речовина, що складається з вуглецю. Елемент - це група атомів, які мають однакову кількість ядерних зарядів (протонів). Графіт - це матеріальне утворення, утворене великою кількістю атомів вуглецю, пов'язаних між собою специфічними хімічними зв'язками. Ця чиста речовина, що складається з одних і тих же елементів, називається елементарною. Графіт - це особлива форма існування елементарного вуглецю. Завдяки унікальній кристалічній структурі та фізико-хімічним властивостям він демонструє багаті та різноманітні властивості вуглецю.

Графіт - це вуглець?

Графіт - це алотроп вуглецю, який повністю складається з елемента вуглецю. Усередині графіту атоми вуглецю розташовані та поєднані особливим чином, утворюючи унікальну кристалічну структуру. Ця структура надає графіту багато особливих властивостей. Так, він та інші алотропи вуглецю, такі як алмаз (відомий своїми твердими і прозорими властивостями), фулерен (з унікальною сферичною або трубчастою структурою) за зовнішнім виглядом, фізичними і хімічними властивостями суттєво відрізняються. У багатьох сферах вони відіграють різну роль.

Звідки береться графіт?

Природні джерела

Природні джерела графіту в природі набагато ширші. Ми можемо формувати частину графіту в метаморфічних породах. Наприклад, в процесі регіонального метаморфізму початкові вуглецевмісні відклади (наприклад, вугільні пласти) поступово перетворюються на графіт шляхом складної метаморфічної кристалізації в екстремальних умовах високої температури і тиску. Крім того, частина графіту походить з магматичних порід. І коли магма проникає в земну кору, вуглець, що міститься в магмі, кристалізується в певному геологічному середовищі та фізико-хімічних умовах. Таким чином утворюється графіт. Поклади природного графіту поширені в багатьох країнах і регіонах світу, серед яких Китай, Бразилія, Індія та інші країни мають відносно багаті природні ресурси графіту. Вони забезпечують важливу матеріальну базу для розвитку світової графітової промисловості.

Штучний графіт

Зі стрімким розвитком сучасних промислових технологій виробництво штучного графіту поступово стало важливою частиною постачання графіту. Штучний графіт зазвичай отримують шляхом високотемпературної термічної обробки певної вуглецевмісної сировини (наприклад, нафтового коксу, асфальтового коксу тощо). Він перетворює аморфний вуглець у графіт. При високих температурах невуглецеві елементи, що містяться в цій вуглецевмісній сировині, поступово випаровуються. А атоми вуглецю будуть перегруповуватися і кристалізуватися, зрештою утворюючи штучний графіт зі структурою, схожою на природний. Виробництво штучного графіту має високий ступінь керованості. І він може точно контролювати його чистоту, кристалічну структуру та фізико-хімічні властивості відповідно до різних потреб промислового застосування. Тому він широко використовується в багатьох галузях, таких як сталь, акумулятори, вогнетриви тощо. Це забезпечує потужну підтримку розвитку сучасної промисловості.

Типи графіту

Таким чином, графіт в основному можна розділити на природний графіт і синтетичний графіт двох типів.

 Природний графіт

Природний графіт також включає лускатий графіт, кристалічний графіт і криптокристалічний графіт.

Пластівчастий графіт характеризується великою і тонкою формою пластівців з широким діапазоном діаметрів, починаючи від декількох десятих часток міліметра до декількох міліметрів. Ці лусочки мають хорошу електро- і теплопровідність в плоскому напрямку, а їх шарувата структура надає їм відмінні змащувальні властивості.

Кристали кристалічного графіту добре розвинені, демонструючи очевидну гексагональну пластинчасту форму кристалів. Його лусочки відносно великі, а діаметр зрізів часто перевищує 0,1-0,2 мм. Цей тип графіту не є поширеним у природі. Але завдяки своїй чудовій кристалічній структурі та унікальним властивостям він відіграє важливу роль у багатьох високотехнологічних галузях промисловості.

Кристал афанітного графіту дуже малий і існує у вигляді мікрокристалічних агрегатів. Неозброєним оком важко розрізнити конкретну форму кристала. Вміст фіксованого вуглецю знаходиться на високому рівні, приблизно в діапазоні 60%-80%. У промисловому застосуванні ми можемо використовувати криптокристалічний графіт як ливарний і вогнетривкий матеріал.

Синтетичний графіт

Синтетичний графіт буває трьох видів, кожен з яких має унікальні властивості та застосування.

Чистота графіту високої чистоти надзвичайно висока, вміст домішок дуже низький, зазвичай більше 99,9%. Завдяки чудовій хімічній стабільності та високій електропровідності він відіграє ключову роль у виробництві напівпровідників, високотехнологічній хімічній промисловості та інших галузях із суворими вимогами до чистоти.

Ізостатичний пресований графіт утворюється в процесі ізостатичного пресування і має характеристики однорідної структури та ізотропії. Він має відмінну механічну міцність, стійкість до високих температур і термічних ударів, відмінні експлуатаційні характеристики в металургії, електроерозійній обробці та інших галузях.

Пінографіт виготовляється з природного графіту шляхом спеціальної обробки, має унікальну червоподібну структуру. Він може швидко розширюватися при високих температурах, утворюючи матеріал з чудовими теплоізоляційними та ущільнювальними властивостями. У сфері вогнетривких матеріалів пінографіт може використовуватися для виготовлення вогнетривких ущільнювачів, вогнетривких покриттів і т.д.. Він може ефективно запобігати поширенню вогню.

З чого складається графіт?

Графітовий елемент

Основним складовим елементом графіту є вуглець. У графіті атоми вуглецю з'єднані один з одним ковалентними зв'язками, утворюючи плоску мережу шестикутників. Ці планарні мережеві структури укладаються шар за шаром у просторі, утворюючи унікальну кристалічну структуру графіту. Кожен атом вуглецю утворює ковалентний зв'язок з трьома сусідніми атомами вуглецю. І наявність цього ковалентного зв'язку надає графіту високу стабільність і міцність всередині шару. А також закладає основу для деяких його особливих властивостей, таких як електро- та теплопровідність.

Хімічна формула графіту

Хімічна формула графіту зазвичай позначається літерою С, що чітко вказує на те, що він повністю складається з вуглецю. Незважаючи на свою просту хімічну формулу, графіт має складні та різноманітні фізичні та хімічні властивості. Це пов'язано з унікальним розташуванням атомів вуглецю та існуванням багатьох форм хімічного зв'язку. Ця характеристика, що складається з одного елемента, але має багаті властивості, дозволяє графіту займати унікальну позицію в галузі матеріалознавства. А також робить його об'єктом численних досліджень і застосувань.

Структура графіту

Розташування атома Карбону в графіті

Вуглець розташований у мікроструктурі графіту. Атоми вуглецю демонструють дивовижну особливість пошарового розташування. Кожен шар атомів вуглецю тісно пов'язаний між собою, утворюючи величезну гексагональну плоску мережеву структуру. Атоми вуглецю тісно пов'язані між собою ковалентними зв'язками. Завдяки цьому ці плоскі шари мають високу стабільність і міцність, і можуть витримувати певний ступінь зовнішньої сили без пошкоджень. Прошарок між шарами проходить через слабку ван-дер-ваальсову силову взаємодію. Ця відносно слабка міжшарова сила робить графіт між шаром і шаром, коли невелика зовнішня сила легко ковзає, таким чином надаючи графіту хороше змащення і гнучкість. Отже, він повинен зменшити тертя та мати певну деформаційну здатність у сценарії застосування.

Зв'язування

Ковалентний зв'язок між атомами вуглецю в графітовому шарі - це міцний хімічний зв'язок. Він не тільки забезпечує стабільність і цілісність графітового шару, але й має глибокий вплив на фізичні властивості графіту. Завдяки існуванню ковалентних зв'язків електрони можуть відносно вільно переміщатися між атомами вуглецю в межах шару. Завдяки цьому графіт має хорошу провідність і теплопровідність всередині шару, а також може ефективно передавати струм і тепло.

Сила Ван-дер-Ваальса між шарами відносно слабка. І її внесок у фізичні властивості графіту, такі як твердість і щільність, менший, ніж внесок ковалентних зв'язків. Цей синергетичний ефект внутрішньошарових ковалентних зв'язків і міжшарових сил Ван-дер-Ваальса створює унікальні анізотропні властивості графіту. Тобто фізико-хімічні властивості графіту в напрямку шару і вертикального шару суттєво відрізняються. І цю властивість необхідно повною мірою враховувати в матеріалознавстві для досягнення оптимального використання властивостей графіту.

Властивості графіту

Фізичні властивості

Колір

Графіт зазвичай має сіро-чорний колір на вигляд. Формування цього кольору тісно пов'язане з внутрішньою електронною структурою графіту та його характеристиками поглинання і відбиття світла. Атоми вуглецю в графіті поглинають і розсіюють видиме світло завдяки специфічним хімічним зв'язкам і розподілу електронної хмари. Таким чином, більша частина видимого світла поглинається, і лише невелика кількість світла відбивається або розсіюється. Таким чином створюється сіро-чорний візуальний ефект на макрорівні. Більше того, непрозора природа графіту також надає його зовнішньому вигляду унікальну текстуру, що різко контрастує з іншими прозорими або напівпрозорими матеріалами.

Щільність

Щільність графіту відносно невелика, приблизно 2,09-2,23 г/см3. Питома вага також низька. Ця характеристика робить графіт явною перевагою в деяких сценаріях застосування зі строгими вимогами до ваги. Наприклад, при проектуванні певних компонентів в аерокосмічній галузі, якщо потрібно використовувати матеріали, які мають певний ступінь провідності та змащувальних властивостей, але при цьому можуть зменшити загальну вагу. Тоді графіт стає дуже потенційним матеріалом-кандидатом.

Температура плавлення

Графіт має дуже високу температуру плавлення, близько 3652°C - 3697°C. Ця чудова високотемпературна стійкість дозволяє графіту зберігати свою структуру і властивості відносно стабільними в умовах екстремально високих температур. У виплавці чавуну і сталі, виробництві вогнетривів та інших високотемпературних промислових процесах графіт відіграє життєво важливу роль.

Електропровідність

Графіт має відмінну електропровідність в шарі, що пояснюється утворенням стабільної структури електронної хмари між атомами вуглецю в шарі завдяки ковалентним зв'язкам. І електрони можуть відносно вільно рухатися в цій структурі, завдяки чому досягається ефективна провідність струму. У той же час теплопровідність графіту також дуже хороша, і він може швидко передавати тепло.

Мастило

Змащувальні властивості мастильного графіту обумовлені його унікальною шаруватою структурою. Оскільки сила Ван-дер-Ваальса між шарами слабка. Коли графіт піддається впливу зовнішньої сили, легко відбувається відносне ковзання між шарами. І цей процес ковзання може ефективно зменшити коефіцієнт тертя, щоб відігравати хорошу роль змащення. Будь то щоденне обслуговування мастила різного механічного обладнання в машинобудуванні або потреби в змащенні в деяких особливих умовах (таких як висока температура, високий тиск або середовище хімічної корозії), графіт може демонструвати відмінні змащувальні ефекти.

Хімічні властивості

Стійкість графіту до корозії

Графіт має хорошу кислото- та лугостійкість. Він може зберігати відносно стабільну структуру і характеристики в розчинах кислот і лугів у певному діапазоні концентрацій. Це відбувається тому, що атоми вуглецю в графіті утворюють стабільну енергетичну структуру хімічного зв'язку через ковалентні зв'язки. Це ускладнює руйнування графіту іонами в розчинах кислот і лугів. Ця стійкість до кислот і лугів робить графіт важливим матеріалом для застосування в деяких агресивних середовищах у хімічній промисловості.

Реакція з іншими матеріалами

За нормальних температурних умов хімічні властивості графіту відносно стабільні. І він нелегко вступає в хімічну реакцію з більшістю поширених речовин. Однак під впливом високої температури, високого тиску або певного хімічного середовища графіт може вступати в реакцію з деякими окислювачами (такими як кисень, концентрована сірчана кислота тощо).

Наприклад, при достатній кількості кисню і підвищенні температури до певного рівня графіт піддається реакції окислення і поступово перетворюється на такі продукти, як вуглекислий газ. Ця реакційна здатність певною мірою обмежує застосування графіту в деяких екстремальних окислювальних середовищах. Але вона також надає можливість для спеціальної обробки та модифікації графіту.

Коефіцієнт теплового розширення

Графіт має низький коефіцієнт теплового розширення, що забезпечує йому хорошу стабільність розмірів при зміні температури. Порівняно з багатьма іншими матеріалами, об'єм графіту дуже мало змінюється в процесі переживання більшого підвищення і зниження температури.

У деяких сферах застосування, де потрібна висока точність розмірів матеріалів, низький коефіцієнт теплового розширення графіту особливо важливий. Він дозволяє ефективно уникати таких проблем, як деформація компонентів і зниження точності збірки, викликаних коливаннями температури. Щоб забезпечити нормальну роботу і стабільну продуктивність обладнання або приладів в різних температурних середовищах.

Окислення

Хоча графіт демонструє сильну стійкість до окислення і корозії при кімнатній температурі, в екстремальних умовах, таких як висока температура, висока вологість або сильне окислювальне середовище, графіт поступово окислюється і піддається корозії. Наприклад, при тривалому впливі високої температури повітря атоми вуглецю на поверхні графіту реагують з киснем, утворюючи оксидний шар.

І з часом безперервне потовщення оксидного шару призведе до змін у структурі та характеристиках графіту. Наприклад, зниження провідності та міцності. Тому в деяких областях застосування з високими вимогами до стійкості графіту до окислення часто необхідно проводити спеціальну обробку поверхні графіту. Або додавати антиоксиданти та інші заходи. Для підвищення його антиоксидантної здатності, щоб забезпечити стабільність продуктивності та надійність графітових матеріалів під час використання.

Механічні властивості

Твердість і міцність

Міцність і твердість графіту відносно низькі, а його твердість за шкалою Мооса становить близько 1-2. Завдяки цій властивості графіт відносно легко піддається формуванню та наданню різних форм під час обробки. Наприклад, при виготовленні грифелів для олівців, змішуючи графіт та інші матеріали, такі як глина, в різних пропорціях і пресуючи, зручно робити грифелі з різним рівнем твердості, щоб задовольнити різні потреби в письмі. Однак, хоча загальна міцність графіту низька, він все ж має певний коефіцієнт використання міцності в деяких конкретних напрямках. Наприклад, уздовж напрямку графітового шару.

 Еластичність

Завдяки унікальній шаруватій структурі графіту, він певною мірою проявляє гнучкість та еластичність. Під впливом невеликої зовнішньої сили ми можемо зігнути і деформувати шарувату структуру графіту до певної міри. А коли зовнішня сила знімається, ми можемо відновити графіт до початкової форми або близької до початкової форми. Ця гнучкість і еластичність роблять графіт потенційною перспективою застосування в деяких гнучких електронних пристроях, ущільнювальних матеріалах та інших галузях, що розвиваються.

Анізотропія

Анізотропний графіт має надзвичайно очевидні анізотропні характеристики. Тобто, його фізичні та хімічні властивості суттєво відрізняються в різних напрямках. З точки зору провідності, провідність вздовж шару графіту набагато вища, ніж провідність у вертикальному шарі. Це пов'язано зі сприянням ковалентних зв'язків електронній провідності та перешкоджанням міжшарових ван-дер-ваальсових сил електронній провідності.

З точки зору твердості та міцності, твердість і міцність вертикального шару є відносно високими. Оскільки сила Ван-дер-Ваальса між шарами певною мірою обмежує відносне ковзання між шарами. У той час як ковзання і деформація більш ймовірні через слабку міжшарову силу. Ця анізотропна характеристика потребує особливої уваги та врахування в процесі нанесення графіту. Відповідно до конкретних вимог застосування, доцільно вибирати і використовувати переваги властивостей графіту в різних напрямках. Для того, щоб максимізувати використання характеристик графітового матеріалу та оптимізувати ефект нанесення.

Теплові та електричні властивості

Існує тісний внутрішній взаємозв'язок між тепловими та електричними властивостями графіту, а також тепловими властивостями і відмінними експлуатаційними характеристиками. Його високої теплопровідності достатньо для швидкого відведення тепла, що має велике прикладне значення в області розсіювання тепла в електронному обладнанні. У той же час, хороша провідність графіту дозволяє йому ефективно передавати струм як відмінному провіднику в ланцюзі.

Інші властивості

На додаток до багатьох властивостей, згаданих вище, графіт має деякі інші особливі властивості. Наприклад, графіт має певні адсорбційні властивості. Його багата структура пор і велика питома поверхня можуть поглинати деякі гази та малі молекули. Ця властивість має потенційне застосування в газоочистці та очищенні стічних вод у сфері захисту навколишнього середовища. При правильній модифікації та обробці графіту його адсорбційні властивості можна ще більше покращити. Його можна використовувати для видалення шкідливих газів у повітрі (таких як формальдегід, діоксид сірки тощо) або іонів важких металів у воді, органічних забруднювачів тощо.

6 Використання графіту

В олівцях

Графіт - ключовий компонент грифеля олівця. Завдяки своїй м'якій текстурі та унікальній шаруватій структурі він може залишати чіткі сліди на папері після змішування та регулювання твердості з глиною, щоб задовольнити потреби письма та малювання. Від студентського навчання до художньої творчості, він широко використовується у всіх видах письмового приладдя. Це дозволяє людям вільно висловлювати ідеї та творчість.

Як мастило

Графіт як мастильний матеріал має хорошу змащувальну здатність завдяки слабкій силі Ван-дер-Ваальса в середньому шарі і проміжному шарі шаруватої структури. Він широко використовується в механічній галузі. Будь то внутрішні рухомі частини автомобільного двигуна або деталі промислової механічної трансмісії. Або навіть аерокосмічні деталі з високою температурою та високим тиском, графітовий порошок може ефективно зменшити тертя, зменшити знос. А також забезпечує безперебійну та ефективну роботу обладнання та продовжує термін служби.

Виробництво сталі

Графіт відіграє важливу роль у виробництві сталі. Як один з компонентів електродВін може подавати струм для отримання джоулевої теплоти плавлення сталевого брухту. Як карбюризатор, вміст вуглецю в розплавленій сталі можна точно регулювати. Виготовлений з матеріалу футерування печі, завдяки високій термостійкості та корозійній стійкості, захищає корпус сталеплавильної печі від пошкодження розплавленою сталлю та шлаком при високій температурі. Крім того, графіт має певну питому теплоємність. Він може поглинати і віддавати тепло в процесі виплавки сталі, допомагаючи регулювати температурні коливання в печі. Ефективно підтримує ефективний, безпечний і стабільний розвиток процесу виробництва сталі.

Батарея

Графіт має велике значення в акумуляторах і зазвичай використовується як матеріал негативного електрода в літій-іонних акумуляторах. батарейки. Його шарувата структура забезпечує простір для розміщення і видалення іонів літію, зарядки і розрядки, з хорошими провідними властивостями. Це забезпечує цикл заряду та розряду акумулятора. У дослідженнях нових технологій акумуляторів він також розглядається як основний матеріал. Це відіграє певну роль у сприянні розвитку нових накопичувачів енергії.

Вогнетривкі матеріали

Графіт має високу температуру плавлення і високу термостійкість, є високоякісним вогнетривким матеріалом. У металургії, кераміці, склі та інших промислових високотемпературних процесах, використовується у виробництві вогнетривкої цегли, футерівки тиглі тощо. Він може протистояти ерозії металевого розплаву та шлаку в умовах високих температур, підтримувати стабільність конструкції. Зменшити тепловтрати, знизити ризик нещасних випадків і побудувати міцну лінію безпеки для високотемпературного промислового виробництва.

Ядерні реактори

Графіт слугує сповільнювачем нейтронів у ядерних реакторах. Зіткнувшись з нейтронами, швидкі нейтрони сповільнюються до теплових нейтронів. Таким чином вони контролюють швидкість реакції ядерного поділу і забезпечують стабільну роботу реактора. Ранні ядерні реактори мають багато застосувань. Але графіт змінюється під впливом високої температури і нейтронного опромінення, що вимагає спеціальних технічних рішень для забезпечення довгострокового безпечного використання.

Висновок

Як алотроп вуглецю, графіт має різні властивості і широко використовується. Його різні характеристики пов'язані між собою, що визначає продуктивність у різних сценаріях. Від повсякденних олівців до промислового виробництва сталі та акумуляторів і високотехнологічних ядерних реакторів - графіт є незамінним. З розвитком науки і технологій графіт має великий потенціал у нових галузях. І він буде займати більш важливу позицію в матеріалознавстві, глобальній ресурсній стратегії та стратегії сталого розвитку. І він буде продовжувати сприяти прогресу людського суспільства.