Синтетичний графіт: Вичерпний посібник

Синтетичний графіт - це також інша назва штучного графіту. Вони бувають різних видів і мають відмінні експлуатаційні характеристики. Це незамінні матеріали на основі вуглецю для промислового виробництва. У майбутньому синтетичний графіт може розвиватися в напрямку інновацій та озеленення!

Синтетичний графіт Визначення

Синтетичний графіт - це аморфний вуглецевий матеріал, який був штучно синтезований і модифікований. Зазвичай його отримують з вуглецевої сировини (наприклад, вугілля, нафтового коксу тощо) шляхом високотемпературної обробки та процесів графітизації. Він має подібні електричні, теплові та високотемпературні характеристики, як і природний графіт, але його чистота та структура можуть бути змінені за потребою.

Властивості синтетичного графіту

Фізичні властивості

Синтетичний графіт має чудову електро- і теплопровідність. Це дуже придатний матеріал для виготовлення електродів, акумуляторів та терморегуляції. Крім того, синтетичний графіт здатний витримувати екстремальні високотемпературні середовища. Це означає, що його можна використовувати як вогнетривкий матеріал і футеровку високотемпературних печей у металургійній та хімічній промисловості. Крім того, відносно низька щільність допомагає зменшити вагу конструкції. Водночас він зберігає високу питому поверхню, що підвищує його ефективність у процесах каталізу та адсорбції.

Хімічні властивості

Синтетичний графіт має чудову корозійну стійкість і хімічну стабільність. Наприклад, він стійкий до широкого спектру кислот, лугів та органічних розчинників. Тому він підходить для виготовлення футерування та резервуарів для зберігання хімічного обладнання. Крім того, синтетичний графіт може зберігати стабільність хімічної структури і демонструвати хорошу стійкість до окислення при високих температурах. Це особливо важливо для високотемпературних застосувань, таких як високотемпературні печі та обладнання для термообробки.

Механічні властивості

Синтетичний графіт має високу міцність і твердість, завдяки чому він може витримувати великі механічні навантаження і протистояти зносу. Це робить синтетичний графіт дуже корисним у виробництві механічних компонентів, конструкційних матеріалів та зносостійких матеріалів. У той же час, пластичність синтетичного графіту дозволяє надавати йому різноманітних форм і розмірів за допомогою різних методів обробки, що підвищує його гнучкість у промисловому застосуванні. Стійкість до стирання також робить його ідеальним для виготовлення гальмівних колодок, ущільнень та інших фрикційних матеріалів.

Природний графіт проти синтетичного графіту

Структура

Природний графіт складається з одного елемента вуглецю, а його кристалічна структура належить до гексагональної кристалічної системи, яка є гексагональною шаруватою структурою.

Синтетичний графіт подібний до полікристалічного за кристалографією і також може розглядатися як багатофазний матеріал. Після графітизації синтетичний графіт має більш впорядковане розташування атомів вуглецю та відстань між шарами, ніж природний графіт.

Теплопровідність

Теплопровідність природного графіту, як правило, краща, ніж у синтетичного, і теоретично може досягати 2000 Вт/м-К, залежно від чистоти та кристалічної структури графіту. Завдяки шаруватій структурі тепло швидко проводиться всередині шару, тому він чудово підходить для високотемпературних застосувань.

Теплопровідність синтетичного графіту зазвичай становить від кількох сотень до 1000 Вт/м-К. Це часто залежить від процесу виробництва та якості сировини.

Електропровідність

Електропровідність природного графіту зазвичай становить від 10^4 до 10^6 См/м, що пов'язано з його кристалічною структурою та вмістом домішок. Природний графіт має високу електропровідність, особливо в плоскому напрямку, оскільки електрони можуть вільно переміщатися між шарами.

Електропровідність синтетичного графіту зазвичай становить від 10^3 до 10^5 См/м, що зазвичай нижче, ніж у природного графіту. Це пов'язано з тим, що структура і ступінь графітизації синтетичного графіту може бути не такою досконалою, як у природного графіту, що призводить до певних обмежень на рух електронів.

Процес виробництва синтетичного графіту

1. Змішування сировини

В якості заповнювачів ми вибираємо нафтовий кокс, голчастий кокс тощо, які мають високу чистоту і хорошу кристалічність. Потім змішуємо їх з в'яжучими речовинами, такими як вугілля, дьоготь, пек тощо, в певній пропорції і замішуємо в замішувальному обладнанні при температурі 150 - 200°C. Таким чином, в'яжуче рівномірно обволікає поверхню частинок заповнювача, утворюючи пластичну пасту. Зазвичай ми визначаємо пек як зв'язуючу речовину для синтетичного графіту.

2. Лиття

Компресійне лиття: Ми поміщаємо пасту у форму і застосовуємо тиск від 10 до 50 МПа, щоб надати пасті потрібну форму у формі, наприклад, блок, пластину тощо.

Екструзія ліплення: Для таких виробів, як електроди, ми видавлюємо пасту через форму екструдера, щоб сформувати циліндричну або іншу специфічну форму зеленого тіла.

3. Термічна обробка

Карбонізація: Ми поміщаємо сформовану зелену заготовку в піч карбонізації. Потім нагріваємо її до 800 - 1000°C зі швидкістю нагрівання 1 - 5°C/хв під захистом інертних газів, таких як азот або аргон. У цьому процесі невуглецеві елементи в'яжучого виходять у вигляді газу, а вуглець, що залишився, додатково зв'язує частинки заповнювача.

Графітизація: Потім помістіть карбонізоване тіло в піч графітації і нагрійте його до 2500 - 3000°C зі швидкістю нагрівання 5 - 10°C/хв. При такій високій температурі атоми вуглецю перегруповуються, і кристалічна структура поступово переходить до структури графіту.

Застосування синтетичного графіту

- Акумуляторна промисловість:

Синтетичні графітові аноди мають високу теоретичну питому ємність, хорошу циклічну стабільність і низький потенціал інтеркаляції літію. Вони широко використовуються в різних літій-іонна батарея продукти, які відіграють життєво важливу роль у підвищенні загальної продуктивності акумуляторів. Крім того, графіт використовується для електролізу катодів електролітичних елементів для магнію, алюмінію тощо.

- Сталеливарна та металургійна промисловість:

Графіт можна використовувати як карбюрант у сталеливарній промисловості. У процесі виплавки сталі в електродугових печах графіт електрод діє як провідний електрод для передачі електричної енергії до пічстворюючи електричну дугу, яка розплавляє заряд. Має хорошу електропровідність, високу термостійкість і хімічну стабільність. Тому він може витримувати суворі умови, такі як сильні струми та ерозія шлаку в електродугових печах. У сучасній сталеливарній промисловості графітові електроди є незамінним ключовим матеріалом для виробництва високоякісних сталей, таких як спеціальні та леговані сталі.

- Фрикційні матеріали:

Графіт використовується у виробництві зчеплень в механічних трансмісіях, гальмівних колодок в автомобілях, високотемпературних мастильних фрикційних матеріалів. Наприклад, змащувальні властивості та термостійкість синтетичних графітовий порошок може знизити коефіцієнт тертя, зменшити знос. Тим самим покращуючи термін служби та експлуатаційні характеристики фрикційних матеріалів. Це забезпечує нормальну роботу гальмівних і трансмісійних систем автомобілів, поїздів та інших транспортних засобів. Крім того, нові гальмівні колодки з синтетичними графітовими гранулами мають більш високі показники тертя і гальмування. Цей тип гальмівних колодок виготовляється із синтезу смоли та графіту.

- Тепловідвідні та освітлювальні матеріали:

У силовій електроніці, такій як силові транзистори, випрямлячі, інвертори тощо, для розсіювання тепла використовується листовий синтетичний графіт. Ці пристрої генерують багато тепла під час роботи. Тому хороший тепловідвід допомагає підвищити надійність і ефективність роботи обладнання. Водночас, це зменшує кількість відмов і погіршення продуктивності, спричинених перегрівом. Наприклад, світлодіодні лампи генерують тепло під час робочого процесу, і якщо вони не можуть вчасно відвести тепло, це вплине на світловіддачу і термін служби світлодіода. Листи синтетичного графіту можуть бути прикріплені до світлодіодних чіпів або підкладок для ефективного розсіювання тепла. Це забезпечує нормальну роботу світлодіодних систем освітлення, покращує якість освітлення та енергозберігаючі ефекти.

- Аерокосмічна та оборонна промисловість:

Має високу температуру плавлення, високу стійкість до термічних ударів і корозійну стійкість. Може використовуватися як ядерне паливо і як матеріал для облицювання у високотемпературних газоохолоджувальних реакторах. Крім того, з графіту виготовляють сопла для космічних ракет, деталі аерокосмічних двигунів та теплоізоляційні конструкційні матеріали.

Національне виробництво синтетичного графіту

Китай є найбільшим у світі виробником графіту. У 2023 році виробництво графіту досягло 2,612 мільйона тонн, з яких на виробництво синтетичного графіту припадає 53,75%, а на природний графіт - 46,25%. Китайський експорт і чистий експорт синтетичного графіту продовжує зростати, а позитивне сальдо торгового балансу демонструє тенденцію до розширення.

У 2021 році ринок синтетичних графітових анодних матеріалів становив 97,58% ринку. З огляду на ринкову ситуацію, основний ціновий діапазон продуктів середнього класу на ринку синтетичних графітових анодів становить US$2,700-4,100 за тонну. Серед них основний ціновий діапазон високоякісних енергетичних продуктів становить US$3,700-4,700 за тонну. Основний діапазон цін на продукцію низького класу становить US$2,100-3,10o за тонну.