Про піролітичний графіт

Піролітичний графіт - це полікристалічний графіт, який утворюється при розкладанні вуглеводневого газу. Ця штучна сполука схожа на графіт. Однак він має безліч унікальних властивостей. Як результат, люди використовують його в різних галузях промисловості для різноманітних застосувань. Ця стаття надасть вам повну інформацію про піролітичний графіт, його характеристики та застосування. Почнемо.

Огляд піролітичних графітових сполук

Піролітичний графіт - це різновид графіту, який отримують шляхом розкладання вуглеводневого газу.

Коли температура вуглеводневого газу досягає стадії розкладання у вакуумній атмосфері, він утворює високоорієнтовані графітові шари.

Від звичайного графіту його відрізняє кристалічна структура. На відміну від природного графіту, він має впорядковані атоми вуглецю. Крім того, він надзвичайно анізотропний.

Давайте дізнаємося про його характеристики.

Характеристики/властивості піролітичного графіту

Піролітичний графіт має різноманітні характеристики. Завдяки таким властивостям цей графіт знаходить застосування в багатьох галузях промисловості.

Висока теплопровідність

Піролітичний графіт відомий своєю високою теплопровідністю в площині завдяки міцному ковалентному зв'язку.

При кімнатній температурі він може досягати 2000 Вт/м-К. Ця якість робить його ідеальним матеріалом для таких виробів, як теплорозподільники та тепловідводи.

Висока електропровідність

Піролітичний графіт має анізотропну шарувату структуру. Завдяки цьому він чудово пропускає електричний струм. Електрони цього графіту легко рухаються вздовж зв'язаних атомів вуглецю.

Стійкість до високих температур

Піролітичний графіт може витримувати надзвичайно високі температури. Це термодинамічно стабільний вуглець. Завдяки цьому він зберігає свою хімічну структуру при високих температурах. З'єднання чудово працює навіть при температурі 3500°C в неокислювальній атмосфері.

Хімічна стабільність

Піролітичний графіт хімічно інертний. Він не реагує на більшість кислот, лугів і розчинників при кімнатній температурі. Він може протистояти широкому спектру хімічних атак. Завдяки цьому атомники використовують його в ядерних реакторах.

Механічна міцність

Хоча піролітичний графіт має невелику вагу, він має пристойну механічну міцність. Його межа міцності на розрив у площині становить від 20 до 40 МПа.

Коефіцієнт тертя

Піролітичний графіт має незначний коефіцієнт тертя, особливо в умовах відсутності мастила. Тому люди використовують його там, де знижене тертя має вирішальне значення.

Ви можете помітити його використання в ущільненнях, підшипниках і різних ковзних компонентах.

Як виготовляють піролітичний графіт?

Піролітичний графіт виготовляють за допомогою процесу хімічного осадження з газової фази. Інженери наносять атоми вуглецю на підкладку при екстремальних температурах тонкими шарами.

Давайте розглянемо весь процес крок за кроком.

Вибір джерела вуглеводнів

Спочатку виробники обирають вуглецевмісний газ для виготовлення піролітичного графіту. Це може бути метан, ацетилен і пропан. Він слугує джерелом вуглецю для створення графітових структур.

Формування субстрату

Після того, як газ обрано, настав час знайти відповідну підкладку. Зазвичай виробники віддають перевагу графіту як підкладці. Адже він може витримувати високі температури. Підкладка дозволяє атомам вуглецю осідати в графітовій структурі.

Процес CVD (хімічне осадження з газової фази)

Вуглеводневий газ випускається в піч. Температура в печі коливається між 200 і 300°C.

Ця екстремальна температура розкладає газ на вуглець і водень. Водень виділяється як відпрацьований продукт, тоді як атоми вуглецю накопичуються на поверхні підкладки.

Осадження

Осадження атомів вуглецю відбувається тонким шаром завдяки контрольованому тиску. Ці шари атомів вуглецю створюють впорядковану структуру піролітичного графіту.

Оскільки атоми добре вирівняні в шарах, піролітичний графіт стає анізотропним.

Охолодження

Пошарове осадження атомів вуглецю супроводжується процесом охолодження.

Тепер виробники можуть витягувати графіт з печі для надання йому потрібної форми

.

Весь процес виробництва проходить суворий контроль якості. Це гарантує, що піролітичний графіт має необхідні електричні та теплові властивості.

Додатки 

Ядерні реактори

Енергетичні та ядерні компанії по всьому світу використовують піролітичний графіт як сповільнювач у конструкціях ядерних реакторів.

У "The AGR і газоохолоджувальні реактори MAGNOX у Великій Британії є чудовим прикладом цього.

Оскільки піролітичний графіт є анізотропною формою вуглецю, його використовують у високотемпературних реакторах з газовим охолодженням (HTGR) та реакторах на швидких нейтронах. Стійкість графіту до теплового удару та хімічних речовин робить його придатним для ядерної промисловості.

Як сповільнювач, графіт уповільнює нейтрони під час реакцій поділу, допомагаючи реактору працювати бездоганно.

Атомні інженери також використовують піролітичний графіт для виготовлення конструкційних матеріалів. Він покриває частинки ядерного палива.

У реакторах з газовим охолодженням паливо інкапсулюється в триструктурно-ізотропні частинки. Покриття з цього графіту захищає паливо.

Він також діє як бар'єр і захищає реактори від радіоактивних матеріалів. Цей графіт не втрачає своєї структурної цілісності навіть при температурі понад 1000°C.

Батареї

Виробники акумуляторів використовують піролітичний графіт у різних сферах. Він відіграє важливу роль у сучасних акумуляторних технологіях. 

Літій-іонні батареї також використовують цей графіт завдяки його чудовій електропровідності та термостійкості.

Ці батареї використовують цей графіт як носій іонів літію під час циклів заряджання та розряджання.

Крім того, виробники використовують цей графіт як негативний електрод у літієвих батареях, що перезаряджаються.

Шарувата структура піролітичного графіту дозволяє іонам літію інтеркалювати між його шарами. В результаті створюється оборотний механізм накопичення енергії.

На відміну від інших анодних матеріалів, ця форма графіту витримує високі температури і хімічні реакції. Це допомагає акумулятору функціонувати в екстремальних умовах. Такі батареї поширені в електромобілях та аерокосмічній галузі.

Технологія паливних елементів

Він відіграє вирішальну роль у технології паливних елементів. Піролітичні графітові листи - один з гарних прикладів цього.

Ці листи в паливному елементі підтримують температуру і розсіюють відпрацьоване тепло. Твердооксидні паливні елементи з високою температурою залежать від цього графіту для управління теплом.

Графенові транзистори

Графеновий транзистор - це нанорозмірний пристрій, який використовується в пристроях бездротового зв'язку, електронному текстилі, радіолокаційних системах і складних смартфонах.

Транзистор використовує графен як напівпровідниковий матеріал. Піролітичний графіт відіграє важливу роль у створенні графену. Він слугує матеріалом-прекурсором для виробництва графену.

Графіт також забезпечує ефективне відведення тепла в графенових транзисторах.

Ракетне сопло

Ракетники використовують піролітичний графіт у соплах ракет завдяки його чудовій структурній цілісності та тепловим властивостям.

Горловина і камери ракети, покриті піролітичним графітом, витримують температуру понад 3 000°C. Крім того, цей графіт не руйнується під дією гарячих газів, що виходять з сопла.

Лабораторія ракетних двигунів Військово-повітряних сил також використовувала горлові вставки з піролітичним графітовим покриттям у своїй ракеті в 1974 році.

Медичні діагностичні інструменти

Ви також можете помітити використання піролітичного графіту в численному діагностичному обладнанні.

Він мінімізує поле неоднорідностей в апаратах МРТ. Отже, це природним чином покращує чіткість і деталізацію магнітних полів.

Завдяки своїй біосумісності, графітова сполука також використовується в компонентах кардіостимуляторів.

Піролітичний графіт не вступає в реакцію з тканинами та рідинами організму. Отже, вам не потрібно турбуватися про ускладнення.

Електрохімічні датчики допомагають перевіряти рівень холестерину та глюкози. Чи знаєте ви, що ці датчики також використовують піролітичний графіт?

Ця графітована форма має високопровідну поверхню. Тому вона забезпечує ефективне перенесення електронів і щоразу дає надійне зчитування.

Крім того, його корозійна стійкість допомагає електрохімічним сенсорам витримувати різні біологічні середовища.

Електрохімічний

Виняткова хімічна стабільність і електропровідність роблять піролітичний графіт придатним для різних електрохімічних застосувань. Він слугує матеріалом для електродів у різних електрохімічних елементах, таких як конденсатори та батареї.

Цей графіт підтримує швидке перенесення електронів між електродом і аналітом. Як результат, він допомагає у виявленні нейромедіаторів.

Рентгенівські трубки

Рентгенівська трубка використовується для промислового контролю та медичної візуалізації. Ці трубки використовують піролітичний графіт як матеріал анодної підкладки. Анод перетворює кінетичну енергію прискорених електронів у рентгенівське випромінювання.

Під час цього процесу анод може перегрітися. На щастя, висока теплопровідність піролітичного графіту розсіює тепло, що утворюється під час виробництва рентгенівського випромінювання. Таким чином, це збільшує термін служби трубки.

Лазерне світло

Кілька компаній використовують піролітичний графіт у системах лазерного випромінювання. Ця сполука має особливі оптичні та термічні властивості, що дозволяють їй витримувати інтенсивний лазерний промінь.

У 2012Дослідницька група з Японії продемонструвала, що піролітичний графіт реагує на лазерне світло. Вони також дослідили, що сполука реагує на природне сонячне світло, рухаючись у напрямку градієнта поля.

Графіт використовується для поглинання енергії лазерних променів і швидкого розсіювання тепла. Пристрій використовується для поглинання надлишкової енергії лазерних променів.

Системи лазерного гравіювання також використовують піролітичний графіт як підкладку. Оскільки цей графіт стійкий до лазерної абляції, він забезпечує точне лазерне маркування та різання.

Крім того, ви також можете помітити використання піролітичних графітових дзеркал у потужних лазерних установках. Ці дзеркала відбивають лазерні промені, не піддаючись впливу високих температур.

Висновок

Це поглиблений посібник з піролітичного графіту. Розглядаючи все разом, можна сказати, що ця форма графіту є універсальним матеріалом. Його анізотропні електричні властивості, теплопровідність і стійкість до високих температур роблять його ідеальним для широкого спектру застосувань. 

Різні галузі використовують його по-різному. У найближчі роки ми можемо побачити його використання в різних інших сучасних технологіях та інноваціях

Ми сподіваємося, що цей вичерпний посібник надасть вам достатню інформацію про піролізний графіт.