Графит ( / ˈ ɡ r æ f aɪ t / ) представляет собой кристаллическую форму элемента углерода . Он состоит из сложенных друг на друга слоев графена . Графит встречается в природе и является наиболее стабильной формой углерода при стандартных условиях . Синтетический и природный графит потребляется в больших масштабах (1,3 миллиона тонн в год в 2022 году) для изготовления карандашей , смазочных материалов и электродов . Под высоким давлением и температурой он превращается в алмаз . Это хороший (но не превосходный) проводник тепла [6] и электричества. [7]
Основными типами природного графита, каждый из которых встречается в разных типах рудных месторождений, являются:
Синтетический графит (или искусственный графит) — материал, состоящий из графитового углерода, полученный графитизацией неграфитового углерода , химическим осаждением из паровой фазы углеводородов при температуре выше 2500 К (2230 °С), разложением термически нестабильных карбидов или путем кристаллизации из расплавов металлов, пересыщенных углеродом . [11]
Графит возникает в метаморфических породах в результате восстановления осадочных соединений углерода при метаморфизме . Он также встречается в магматических породах и метеоритах . [5] Минералы, связанные с графитом, включают кварц , кальцит , слюду и турмалин . Основные источники экспорта добытого графита расположены в порядке тоннажа: Китай, Мексика, Канада, Бразилия и Мадагаскар. [12]
В метеоритах графит встречается с троилитом и силикатными минералами . [5] Маленькие графитовые кристаллы метеоритного железа называются клифтонитом . [9] Некоторые микроскопические зерна имеют отличительный изотопный состав, что указывает на то, что они образовались до Солнечной системы . [13] Они являются одним из примерно 12 известных типов минералов, которые появились еще до Солнечной системы и также были обнаружены в молекулярных облаках . Эти минералы образовались в выбросах, когда взрывались сверхновые или звезды от низкого до среднего размера выбрасывали свои внешние оболочки в конце своей жизни. Графит может быть вторым или третьим старейшим минералом во Вселенной. [14] [15]
Графит состоит из листов тригонального плоского углерода. [16] [17] Отдельные слои называются графеном . В каждом слое атомы углерода расположены в виде сотовой решетки с длиной связи 0,142 нм, расстояние между плоскостями 0,335 нм. [18] Связь между слоями представляет собой относительно слабые ван-дер-ваальсовые связи и часто занята газами, что позволяет графеноподобным слоям легко отделяться и скользить мимо друг друга. [19]
Следовательно, электропроводность перпендикулярно слоям примерно в 1000 раз ниже. [20]
Существуют две аллотропные формы, называемые альфа ( гексагональная ) и бета ( ромбоэдрическая ), различающиеся укладкой слоев графена: укладка в альфа-графите представляет собой ABA, в отличие от укладки ABC в энергетически менее стабильном бета-графите. Ромбоэдрический графит не может существовать в чистом виде. [21] Природный графит или коммерческий природный графит содержит от 5 до 15% ромбоэдрического графита [22] , и это может быть связано с интенсивным измельчением. [23] Альфа-форма может быть преобразована в бета-форму посредством усилий сдвига, а бета-форма возвращается в альфа-форму при нагревании до 1300 ° C в течение четырех часов. [22] [21]
Равновесные давление и температура перехода между графитом и алмазом хорошо установлены теоретически и экспериментально. Давление изменяется линейно между1,7 ГПа при0 К и12 ГПа при5000 К ( тройная точка алмаз/графит/жидкость ). [24] [25] Однако фазы имеют широкую область вокруг этой линии, где они могут сосуществовать. При нормальной температуре и давлении 20 °C (293 К) и 1 стандартной атмосфере (0,10 МПа) стабильной фазой углерода является графит, но алмаз метастабилен, и скорость его превращения в графит незначительна. [26] Однако при температурах выше примерноПри температуре 4500 К алмаз быстро превращается в графит. Для быстрого превращения графита в алмаз требуется давление, значительно превышающее линию равновесия: при2000 К , давлениеНеобходимо 35 ГПа . [24]
Акустические и тепловые свойства графита сильно анизотропны , поскольку фононы быстро распространяются вдоль тесно связанных плоскостей, но медленнее перемещаются из одной плоскости в другую . Высокая термическая стабильность, электрическая и теплопроводность графита способствуют его широкому использованию в качестве электродов и огнеупоров при высокотемпературной обработке материалов. Однако в кислородсодержащей атмосфере графит легко окисляется с образованием углекислого газа при температуре 700 °С и выше. [27]
Графит является электрическим проводником , поэтому его можно использовать в качестве электродов для дуговых ламп . Он может проводить электричество из-за обширной делокализации электронов внутри углеродных слоев (феномен, называемый ароматичностью ). Эти валентные электроны могут свободно двигаться, поэтому способны проводить электричество. Однако электричество в основном проводится внутри плоскости слоев. Проводящие свойства порошкообразного графита [28] позволяют использовать его в качестве датчика давления в угольных микрофонах .
Графит и графитовый порошок ценятся в промышленности за их самосмазывающиеся и сухие смазочные свойства. Существует распространенное мнение, что смазочные свойства графита обусловлены исключительно слабым межпластинчатым соединением между листами конструкции. [29] Однако было показано, что в вакуумной среде (например, в технологиях для использования в космосе ) графит разлагается как смазка из-за гипоксических условий. [30] Это наблюдение привело к гипотезе, что смазка происходит из-за присутствия жидкостей между слоями, таких как воздух и вода, которые естественным образом адсорбируются из окружающей среды. Эта гипотеза была опровергнута исследованиями, показавшими, что воздух и вода не усваиваются. [31] Недавние исследования показывают, что эффект, называемый сверхсмазывающей способностью , также может объяснять смазочные свойства графита. Использование графита ограничено его тенденцией способствовать точечной коррозии некоторых видов нержавеющей стали [32] [33] и способствовать гальванической коррозии между разнородными металлами (из-за его электропроводности). Он также вызывает коррозию алюминия в присутствии влаги. По этой причине ВВС США запретили его использование в качестве смазки в алюминиевых самолетах [34] и не одобряли его использование в алюминийсодержащем автоматическом оружии. [35] Даже пометки графитовым карандашом на алюминиевых деталях могут способствовать коррозии. [36] Другая высокотемпературная смазка, гексагональный нитрид бора , имеет ту же молекулярную структуру, что и графит. Его иногда называют белым графитом из-за схожих свойств.
Когда большое количество кристаллографических дефектов связывает эти плоскости вместе, графит теряет свои смазочные свойства и становится так называемым пиролитическим графитом . Он также очень анизотропен и диамагнитен , поэтому будет плавать в воздухе над сильным магнитом. Если он изготовлен в псевдоожиженном слое при температуре 1000–1300 ° C, то он является изотропным турбостратным и используется в устройствах, контактирующих с кровью, таких как механические сердечные клапаны, и называется пиролитическим углеродом и не является диамагнитным. Пиролитический графит и пиролитический углерод часто путают, но это совершенно разные материалы. [37]
Природные и кристаллические графиты не часто используются в чистом виде в качестве конструкционных материалов из-за их плоскостей сдвига, хрупкости и непостоянных механических свойств.
В 4-м тысячелетии до нашей эры , в эпоху неолита на юго-востоке Европы, культура Марица использовала графит в керамической краске для украшения керамики . [38]
Где-то до 1565 года (некоторые источники говорят, что уже в 1500 году) на подходе к Грей-Ноттс из деревушки Ситвейт в округе Борроудейл , Камбрия , Англия , было обнаружено огромное месторождение графита, который местные жители сочли полезным для маркировки овец. [39] [40] Во время правления Елизаветы I (1558–1603) графит Борроудейла использовался в качестве огнеупорного материала для облицовки форм для пушечных ядер, в результате чего получались более круглые и гладкие шары, которыми можно было стрелять дальше, что способствовало повышению прочности ядра. Английский флот. Это конкретное месторождение графита было чрезвычайно чистым и мягким, и его можно было легко разрезать на палочки. Из-за своего военного значения этот уникальный рудник и его добыча находились под строгим контролем Короны. [41]
В течение 19-го века использование графита значительно расширилось, включив в него полироль для печей, смазочные материалы, краски, тигли, литейную облицовку и карандаши , что стало основным фактором расширения образовательных инструментов во время первого большого подъема образования для масс. Британская империя контролировала большую часть мирового производства (особенно на Цейлоне), но к середине века производство на австрийских, немецких и американских месторождениях расширилось. Например, компания Dixon Crucible из Джерси-Сити, штат Нью-Джерси, основанная Джозефом Диксоном и партнером Орестом Кливлендом в 1845 году, открыла рудники в районе озера Тикондерога в Нью-Йорке, построила там перерабатывающее предприятие и фабрику по производству карандашей и тиглей. и другие продукты в Нью-Джерси, описанные в журнале Engineering & Mining Journal от 21 декабря 1878 года. Карандаш Dixon все еще находится в производстве. [42]
_(page_50_crop).jpg/1280px-%E2%80%9COrgy_of_the_Growl_Devils_%E2%80%9C_%E2%80%9CGraphited_Wood_Grease%E2%80%9D_1908_ad_-_Electric_railway_review_(IA_electricrailwayr19amer)_(page_50_crop).jpg)
Начало революционного процесса пенной флотации связано с добычей графита. В статью E&MJ о компании Dixon Crucible включен эскиз «плавающих резервуаров», используемых в старинном процессе добычи графита. Поскольку графит настолько легкий, смесь графита и отходов пропускали через последнюю серию резервуаров для воды, где более чистый графит «уплывал», оставляя отходы выпадать. В патенте 1877 года два брата Бессель (Адольф и Август) из Дрездена, Германия, пошли еще дальше в этом «плавающем» процессе: добавили небольшое количество масла в резервуары и кипятили смесь – этап перемешивания или вспенивания – до сбор графита – первые шаги к будущему процессу флотации. Адольф Бессель получил медаль Волера за запатентованный процесс, который повысил извлечение графита из немецкого месторождения до 90%. В 1977 году Немецкое общество горных инженеров и металлургов организовало специальный симпозиум, посвященный их открытию и, таким образом, 100-летию флотации. [43]
В Соединенных Штатах в 1885 году Хезекия Брэдфорд из Филадельфии запатентовал аналогичный процесс, но неизвестно, успешно ли его процесс использовался на близлежащих месторождениях графита в округе Честер, штат Пенсильвания, которые в 1890-х годах были крупным производителем графита. Использование процесса Бесселя было ограничено, в первую очередь из-за обилия более чистых месторождений, обнаруженных по всему миру, и для сбора чистого графита требовалась не более чем ручная сортировка. Современное состояние, c. 1900 год описан в отчете Министерства горной промышленности Канады о графитовых рудниках и горнодобывающей промышленности, когда канадские месторождения начали становиться важными производителями графита. [43] [44]
Исторически графит назывался черным свинцом или пламбаго . [9] [45] Пламбаго обычно использовался в его массивной минеральной форме. Оба эти названия возникли из-за путаницы с похожими по внешнему виду свинцовыми рудами, особенно с галенитом . Латинское слово, обозначающее свинец, «plumbum », дало название английскому термину, обозначающему этот серый минерал с металлическим блеском, и даже «свинцовнику» или « пламбаго» , растениям с цветками, напоминающими этот цвет.
Термин «черный свинец» обычно относится к порошкообразному или обработанному графиту матово-черного цвета.
Авраам Готтлоб Вернер придумал название «графит» («пишущий камень») в 1789 году. Он попытался прояснить путаницу между молибденом, пламбаго и черным свинцом после того, как Карл Вильгельм Шееле в 1778 году доказал, что это по крайней мере три разных минерала. Анализ Шееле показал, что химические соединения сульфид молибдена ( молибденит ), сульфид свинца (II) ( галенит ) и графит представляют собой три разных мягких черных минерала. [46] [47] [48]
Природный графит в основном используется для изготовления огнеупоров, аккумуляторов, сталеплавильного производства, расширенного графита, тормозных накладок, литейных облицовок и смазочных материалов. [49]
Использование графита в качестве огнеупорного (жаростойкого) материала началось до 1900 года, когда графитовые тигли использовались для хранения расплавленного металла; сейчас это незначительная часть огнеупоров . В середине 1980-х годов большое значение приобрел углерод- магнезитовый кирпич, а чуть позже и глиноземно-графитовый профиль. По состоянию на 2017 год [обновлять]порядок важности следующий: глиноземно-графитовые профили, углеродомагнезитовый кирпич, Монолит (торкотажные и трамбовочные смеси), а затем тигли.
В тиглях стали использовать очень крупные чешуйчатые графиты, а для углеродно-магнезитовых кирпичей требовался не такой крупный чешуйчатый графит; для этих и других теперь существует гораздо большая гибкость в выборе размера требуемых чешуек, а аморфный графит больше не ограничивается огнеупорами низкого качества. Глиноземно-графитовые формы используются в качестве изделий непрерывного литья, таких как сопла и желоба, для транспортировки расплавленной стали из ковша в форму, а углеродомагнезитовые кирпичи используются в сталелитейных конвертерах и электродуговых печах, чтобы выдерживать экстремальные температуры. Графитовые блоки также используются в частях футеровки доменных печей [50] , где высокая теплопроводность графита имеет решающее значение для обеспечения достаточного охлаждения пода и подины печи. [51] Монолиты высокой чистоты часто используются в качестве сплошной футеровки печей вместо углеродомагнезитовых кирпичей.
Огнеупорная промышленность США и Европы пережила кризис в 2000–2003 годах, когда рынок стали оставался равнодушным, а потребление огнеупоров на тонну стали снижалось , что привело к выкупу фирм и закрытию многих заводов. [ нужна цитата ] Многие заводы были закрыты в результате приобретения Harbison-Walker Refractories компанией RHI AG, а оборудование некоторых заводов было продано с аукциона. Поскольку большая часть потерянных мощностей приходилась на производство углеродомагнезитового кирпича, потребление графита на огнеупорном участке сместилось в сторону глиноземно-графитовых форм и монолита, а не кирпича. Основным источником углеродно-магнезитового кирпича сейчас является Китай. Почти все перечисленные огнеупоры используются для производства стали и составляют 75% потребления огнеупоров; остальное используется в различных отраслях промышленности, например, в производстве цемента.
По данным Геологической службы США , потребление природного графита в огнеупорах в США в 2010 году составило 12 500 тонн. [49]
Использование графита в батареях увеличилось с 1970-х годов. Природный и синтетический графит используется в качестве анодного материала для изготовления электродов в основных аккумуляторных технологиях. [52]
Спрос на батареи, в первую очередь никель-металлогидридные и литий-ионные , вызвал рост спроса на графит в конце 1980-х и начале 1990-х годов – рост, обусловленный портативной электроникой, такой как портативные проигрыватели компакт-дисков и электроинструменты . Ноутбуки , мобильные телефоны , планшеты и смартфоны увеличили спрос на аккумуляторы. Ожидается, что аккумуляторы для электромобилей повысят спрос на графит. Например, литий-ионный аккумулятор полностью электрического Nissan Leaf содержит около 40 кг графита. [ нужна цитата ]
Радиоактивный графит из старых ядерных реакторов исследуется в качестве топлива. [ нужна ссылка ] Ядерная алмазная батарея [ нужны разъяснения ] потенциально может обеспечить долговременное энергоснабжение электроники и Интернета вещей . [53]
Графит является «преобладающим анодным материалом, используемым сегодня в литий-ионных батареях» [54]. Батареи для электромобилей содержат четыре основных компонента: анод, катод, электролит и сепаратор. Хотя большое внимание уделяется катодным материалам — литию, никелю, кобальту, марганцу и т. д., преобладающим материалом анода, используемым практически во всех аккумуляторах электромобилей, является графит. [55]
Природный графит в сталеплавильном производстве в основном идет на повышение содержания углерода в жидкой стали; он также может служить для смазки матриц, используемых для экструзии горячей стали. Углеродные добавки сталкиваются с конкурентоспособной ценой по сравнению с такими альтернативами, как порошок синтетического графита, нефтяной кокс и другие формы углерода. Добавка углерода добавляется для увеличения содержания углерода в стали до определенного уровня. По оценкам, основанным на статистике потребления графита Геологической службы США , производители стали в США использовали таким образом 10 500 тонн в 2005 году. [49]
Природный аморфный и мелкочешуйчатый графит используется в тормозных накладках или тормозных колодках более тяжелых (неавтомобильных) транспортных средств и стал важным в связи с необходимостью замены асбеста . Такое использование было важным в течение довольно долгого времени, но безасбестовые органические (НАО) композиции начинают сокращать долю графита на рынке. Встряска в отрасли тормозных накладок с закрытием некоторых заводов не принесла пользы, равно как и равнодушный автомобильный рынок. По данным Геологической службы США, потребление природного графита в тормозных накладках в США в 2005 году составило 6510 тонн. [49]
Литейная облицовка литейной формы представляет собой краску на водной основе из аморфного или мелкочешуйчатого графита. Если покрасить им внутреннюю часть формы и дать ей высохнуть, останется тонкий графитовый слой, который облегчит отделение отлитого объекта после остывания горячего металла. Графитовые смазочные материалы — это специальные материалы, предназначенные для использования при очень высоких или очень низких температурах в качестве смазки для ковочных штампов, противозадирного средства, трансмиссионной смазки для горнодобывающего оборудования и для смазки замков. Крайне желательно иметь графит с низкой зернистостью или, что еще лучше, беззернистый графит (сверхвысокой чистоты). Его можно использовать в виде сухого порошка, в воде или масле или в виде коллоидного графита (постоянная суспензия в жидкости). Оценка, основанная на статистике потребления графита Геологической службой США , показывает, что в 2005 году таким образом было использовано 2200 тонн. [49] Металл также может быть пропитан графитом для создания самосмазывающегося сплава для применения в экстремальных условиях, например, в подшипниках машин, подвергающихся воздействию высокие или низкие температуры. [56]
Способность оставлять следы на бумаге и других предметах дала графиту название, данное в 1789 году немецким минералогом Абрахамом Готтлобом Вернером . Оно происходит от γράφειν («графеин») , что на древнегреческом означает «писать или рисовать» . [9] [57]
С 16 века все карандаши делались с грифелями из английского натурального графита, но современный грифель чаще всего представляет собой смесь порошкообразного графита и глины; он был изобретен Николя-Жаком Конте в 1795 году. [58] [59] Он химически не связан с металлическим свинцом , руды которого имели аналогичный внешний вид, отсюда и продолжение названия. Пламбаго — еще один старый термин для обозначения природного графита, используемого для рисования , обычно в виде куска минерала без деревянной оболочки. Термин «рисунок свинца» обычно ограничивается произведениями 17 и 18 веков, в основном портретами.
Сегодня карандаши по-прежнему представляют собой небольшой, но значительный рынок природного графита. Около 7% из 1,1 миллиона тонн, произведенных в 2011 году, было использовано для изготовления карандашей. [60] Используется низкокачественный аморфный графит, который поставляется в основном из Китая. [49]
В искусстве графит обычно используется для создания подробных и точных рисунков, поскольку он позволяет достичь широкого диапазона значений (от светлого до темного). Его также можно использовать для создания более мягких, тонких линий и теней. Графит популярен среди художников, потому что им легко управлять, его легко стирать, и он придает чистый, профессиональный вид. Кроме того, он относительно недорог и широко доступен. Многие художники используют графит в сочетании с другими материалами, такими как уголь или чернила, для создания различных эффектов и текстур в своих работах. [61]
Графит, вероятно, является наиболее часто используемой смазкой в сосновых дерби . [62]
Природный графит нашел применение в угольно-цинковых батареях , щетках электродвигателей и в различных специализированных применениях. Графит различной твердости или мягкости дает разные качества и тона при использовании в качестве художественного материала . [63] Железные дороги часто смешивали порошкообразный графит с отработанным маслом или льняным маслом, чтобы создать термостойкое защитное покрытие для открытых частей котла паровоза, таких как дымовая камера или нижняя часть топки . [64] В паяльнике Scope в качестве нагревательного элемента используется графитовое жало.
Расширенный графит получают путем погружения природного чешуйчатого графита в ванну с хромовой кислотой , а затем с концентрированной серной кислотой , которая раздвигает плоскости кристаллической решетки, тем самым расширяя графит. Расширенный графит можно использовать для изготовления графитовой фольги или непосредственно в качестве соединения с «горячим верхом» для изоляции расплавленного металла в ковше или раскаленных стальных слитках и уменьшения теплопотерь, или в качестве противопожарных средств , устанавливаемых вокруг пожарной двери или в листовом металле. воротники вокруг пластиковых труб (во время пожара графит расширяется и обугливается, чтобы противостоять проникновению и распространению огня) или для изготовления высокоэффективного прокладочного материала для использования при высоких температурах. После изготовления графитовой фольги фольгу обрабатывают и собирают в биполярные пластины топливных элементов . Из фольги делают радиаторы для портативных компьютеров , которые сохраняют их прохладу и при этом снижают вес, а также изготавливают ламинат из фольги, который можно использовать в уплотнениях клапанов или в качестве прокладок. Набивки старого образца теперь занимают второстепенное место в этой группе: мелкочешуйчатый графит в маслах или смазках для применений, требующих термостойкости. По оценкам GAN, текущее потребление природного графита в США для этого конечного использования составляет 7500 тонн. [49]
Графит образует интеркаляционные соединения с некоторыми металлами и небольшими молекулами. В этих соединениях молекула или атом-хозяин «зажаты» между слоями графита, в результате чего образуется тип соединения с переменной стехиометрией. Ярким примером интеркаляционного соединения является графит калия, обозначаемый формулой KC 8 . Некоторые интеркаляционные соединения графита являются сверхпроводниками . Самая высокая температура перехода (к июню 2009 г.) T c = 11,5 К достигается в CaC 6 и далее увеличивается под действием приложенного давления (15,1 К при 8 ГПа). [65] Способность графита интеркалировать ионы лития без значительного ущерба от набухания делает его доминирующим анодным материалом в литий-ионных батареях.
В 1893 году Чарльз Стрит из Ле Карбона открыл процесс изготовления искусственного графита. В середине 1890-х годов Эдвард Гудрич Ачесон (1856–1931) случайно изобрел другой способ производства синтетического графита после синтеза карборунда (также называемого карбидом кремния). Он обнаружил, что при перегреве карборунда, в отличие от чистого углерода, образуется почти чистый графит. Изучая влияние высокой температуры на карборунд, он обнаружил, что кремний испаряется при температуре около 4150 °C (7500 °F), оставляя углерод в графитовом углероде. Этот графит стал ценным в качестве смазки. [9]
Метод Ачесона для производства карбида кремния и графита называется процессом Ачесона . В 1896 году Ачесон получил патент на свой метод синтеза графита [66] , а в 1897 году начал коммерческое производство. [9] Компания Acheson Graphite Co. была основана в 1899 году.
Синтетический графит также можно получить из полиимида и затем продать. [67] [68]
Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ) — синтетическая форма графита высочайшего качества. Применяется в научных исследованиях, в частности, как эталон длины при калибровке сканирующих зондовых микроскопов . [69] [70]
Графитовые электроды переносят электричество, которое плавит лом железа и стали, а иногда и железо прямого восстановления (DRI), в электродуговых печах , которые составляют подавляющее большинство сталеплавильных печей . Их изготавливают из нефтяного кокса после его смешивания с каменноугольным пеком . Их экструдируют, придают им форму, а затем обжигают для карбонизации связующего вещества (пека). В конечном итоге его графитируют путем нагревания до температуры, приближающейся к 3000 ° C (5430 ° F), при которой атомы углерода превращаются в графит. Они могут различаться по размеру до 3,5 м (11 футов) в длину и 75 см (30 дюймов) в диаметре. Растущая доля [ по состоянию на? ] мировой стали производится с использованием электродуговых печей, а сама электродуговая печь становится более эффективной, производя больше стали на тонну электрода. Оценка, основанная на данных Геологической службы США, показывает, что потребление графитовых электродов в 2005 году составило 197 000 тонн (217 000 коротких тонн). [49]
При электролитической выплавке алюминия также используются графитовые углеродные электроды. В гораздо меньших масштабах электроды из синтетического графита используются при электроэрозионной обработке (ЭЭО), обычно для изготовления литьевых форм для пластмасс . [71]
Порошок получают путем нагревания порошкообразного нефтяного кокса выше температуры графитации, иногда с небольшими модификациями. Графитовый лом состоит из кусков непригодного для использования электродного материала (на этапе производства или после использования) и токарных станков, обычно после дробления и калибровки. Большая часть порошка синтетического графита идет на повышение содержания углерода в стали (конкурируя с природным графитом), а некоторые используются в аккумуляторах и тормозных накладках. По данным Географической службы США , производство синтетического графитового порошка и лома в США в 2001 году составило 95 000 тонн (93 000 длинных тонн; 105 000 коротких тонн) (последние данные). [49]
Специальные сорта синтетического графита, такие как Gilsocarbon, [72] [73] также находят применение в качестве матрицы и замедлителя нейтронов в ядерных реакторах . Его низкое нейтронное сечение также рекомендует его для использования в предлагаемых термоядерных реакторах . Необходимо позаботиться о том, чтобы графит реакторного качества не содержал материалов, поглощающих нейтроны, таких как бор , широко используемый в качестве затравочного электрода в коммерческих системах осаждения графита - это привело к выходу из строя немецких ядерных реакторов на основе графита во время Второй мировой войны . Поскольку они не смогли устранить проблему, они были вынуждены использовать гораздо более дорогие замедлители тяжелой воды . Графит, используемый для ядерных реакторов, часто называют ядерным графитом . Герберт Г. Макферсон, физик, получивший образование в Беркли, из National Carbon, подразделения Union Carbide, сыграл ключевую роль в подтверждении гипотезы Лео Силарда о том, что примеси бора даже в «чистом» графите ответственны за поперечное сечение поглощения нейтронов в графите, которое ставит под угрозу Цепные реакции по урану-235. Макферсон знал о наличии примесей в графите, потому что с использованием Technicolor в кинематографии спектры дуг графитовых электродов, используемых в кинопроекторах, требовали примесей для усиления излучения света в красной области для отображения на экране более теплых тонов кожи. Таким образом, если бы не цветные фильмы, есть вероятность, что первая устойчивая естественная U-цепная реакция потребовала бы тяжеловодного реактора. [74]
Графитовое (углеродное) волокно и углеродные нанотрубки также используются в пластиках, армированных углеродным волокном, и в термостойких композитах, таких как армированный углерод-углерод (RCC). Коммерческие конструкции, изготовленные из композитов углеродного волокна и графита, включают удочки , древки клюшек для гольфа, велосипедные рамы, панели кузова спортивных автомобилей, фюзеляж Boeing 787 Dreamliner и бильярдные кии и успешно применяются в железобетоне . Механические свойства углепластиков, армированных графитом, и серого чугуна находятся под сильным влиянием роли графита в этих материалах. В этом контексте термин «(100%) графит» часто широко используется для обозначения чистой смеси углеродной арматуры и смолы , тогда как термин «композит» используется для композитных материалов с дополнительными ингредиентами. [75]
Современный бездымный порох покрыт графитом, чтобы предотвратить накопление статического заряда .
Графит использовался как минимум в трех радиопоглощающих материалах . Его смешивали с резиной в Sumpf и Schornsteinfeger, которые использовались в трубках подводных лодок для уменьшения их радиолокационного сечения . Он также использовался в плитках на ранних истребителях-невидимках F-117 Nighthawk .
Графитовые композиты используются в качестве поглотителя частиц высоких энергий, например, в отвале пучков Большого адронного коллайдера . [76]
Графитовые стержни, приданные им определенной формы, используются в стекольной промышленности в качестве инструмента для манипулирования горячим расплавленным стеклом. [77]
Графит добывают как открытым , так и подземным способом. Графит обычно нуждается в обогащении . Это можно осуществить путем сбора кусков пустой породы (порода) вручную и ручного просеивания продукта или путем дробления породы и выплавления графита. Обогащение флотацией сталкивается с трудностью, заключающейся в том, что графит очень мягкий и «маркирует» (покрывает) частицы пустой породы . В результате «маркированные» частицы пустой породы уплывают вместе с графитом, образуя нечистый концентрат. Возможны два пути получения товарного концентрата или продукта: многократный переизмельчение и флотация (до семи раз) для очистки концентрата или кислотное выщелачивание (растворение) пустой породы плавиковой кислотой (для силикатной пустой породы) или соляной кислотой (для пустой породы). карбонатная жила).
При измельчении поступающие графитовые продукты и концентраты могут быть измельчены перед классификацией (калибровкой или просеиванием), при этом более крупные фракции чешуек (менее 8 меш, 8–20 меш, 20–50 меш) тщательно сохраняются, а затем содержание углерода определены. Некоторые стандартные смеси могут быть приготовлены из различных фракций, каждая из которых имеет определенное распределение размеров хлопьев и содержание углерода. Также могут быть изготовлены смеси по индивидуальному заказу для индивидуальных клиентов, которым нужен определенный размер хлопьев и содержание углерода. Если размер хлопьев неважен, концентрат можно измельчить более свободно. Типичные конечные продукты включают мелкодисперсный порошок для использования в качестве суспензии при бурении нефтяных скважин и покрытий для литейных форм, поглотителей углерода в сталелитейной промышленности (в качестве поглотителей углерода также можно использовать порошок синтетического графита и порошкообразный нефтяной кокс). Воздействие графитовых заводов на окружающую среду состоит из загрязнения воздуха, в том числе воздействия мелких частиц на рабочих, а также загрязнения почвы в результате разливов порошка, что приводит к загрязнению почвы тяжелыми металлами .
По данным Геологической службы США (USGS), мировое производство природного графита в 2016 году составило 1 200 000 тонн , из которых основными экспортерами являются: Китай (780 000 тонн), Индия (170 000 тонн), Бразилия (80 000 тонн), Турция ( 32 000 т) и Северная Корея (6 000 т). [78] Графит в настоящее время не добывается в Соединенных Штатах , но существует множество исторических рудников, в том числе в Алабаме, Монтане и в Адирондаке штата Нью-Йорк. [79] Компания Westwater Resources находится на стадии разработки пилотного завода для своего графитового рудника Coosa недалеко от Силакауги, штат Алабама . [80] Производство синтетического графита в США в 2010 году составило 134 000 тонн на сумму 1,07 миллиарда долларов. [49]
Потенциальные последствия для здоровья включают в себя:
Управление по охране труда (OSHA) установило законный предел ( допустимый предел воздействия ) для воздействия графита на рабочем месте как средневзвешенное по времени (TWA) значение 15 миллионов частиц на кубический фут (1,5 мг/м 3 ) в течение 8 лет. -часовой рабочий день. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) TWA 2,5 мг/м 3 вдыхаемой пыли в течение 8-часового рабочего дня. При уровне 1250 мг/м 3 графит сразу опасен для жизни и здоровья . [81]
Наиболее распространенный способ переработки графита происходит, когда электроды из синтетического графита либо производятся и отрезаются детали, либо токарные станки выбрасываются для повторного использования, либо электрод (или другие материалы) используются полностью вплоть до электрододержателя. Новый электрод заменяет старый, но остается значительная часть старого электрода. Его измельчают и калибруют, а полученный графитовый порошок в основном используют для повышения содержания углерода в расплавленной стали.
Графитсодержащие огнеупоры иногда также перерабатываются, но часто это не происходит из-за низкого содержания графита: изделия самого большого объема, такие как углеродомагнезитовые кирпичи, содержащие только 15–25% графита, обычно содержат слишком мало графита, чтобы их можно было перерабатывать. перерабатывать. Однако часть вторичного углеродомагнезитового кирпича используется в качестве основы для ремонтных материалов печей, а также измельченный углеродомагнезитовый кирпич используется в кондиционерах шлака.
Хотя тигли имеют высокое содержание графита, объем используемых и затем перерабатываемых тиглей очень мал.
Из сталеплавильного киш можно получить высококачественный чешуйчатый графитовый продукт, очень похожий на природный чешуйчатый графит. Киш представляет собой крупнообъемные почти расплавленные отходы, поступающие из подачи расплавленного железа в конвертерную печь, и состоит из смеси графита (осажденного из пересыщенного железа), богатого известью шлака и некоторого количества железа. Железо перерабатывается на месте, оставляя смесь графита и шлака. Лучший процесс восстановления использует гидравлическую классификацию (которая использует поток воды для разделения минералов по удельному весу: графит легкий и оседает почти последним) для получения чернового концентрата с содержанием графита 70%. Выщелачивание этого концентрата соляной кислотой дает 95%-ный графитовый продукт с размером хлопьев от 10 меш (2 мм).
С 2012 по 2021 год во всем мире было подано более 60 000 семейств патентов на графитовые технологии . Патенты были поданы заявителями из более чем 60 стран и регионов. Однако семейства патентов, связанных с графитом, происходят преимущественно всего из нескольких стран. Китай внес наибольший вклад с более чем 47 000 семейств патентов, что составляет четыре из каждых пяти семейств патентов на графит, поданных во всем мире за последнее десятилетие. Среди других стран-лидеров были Япония , Республика Корея , США и Российская Федерация . В совокупности на эти пять крупнейших стран происхождения заявителей пришлось 95 процентов мирового объема патентов, связанных с графитом. [82]
Среди различных источников графита чешуйчатый графит имеет наибольшее количество семейств патентов: в период с 2012 по 2021 год во всем мире было подано более 5600 патентов. Благодаря активным исследованиям коммерческих предприятий и исследовательских институтов Китай является страной, наиболее активно эксплуатирующей чешуйчатый графит, и имеет способствовало 85 процентам мировых патентных заявок в этой области.
В то же время инновации, изучающие новые методы синтеза и применения искусственного графита, вызывают интерес во всем мире, поскольку страны стремятся использовать превосходные качества материала, связанные с этим искусственным веществом, и уменьшить зависимость от природного материала. Патентную деятельность возглавляют коммерческие организации, в частности всемирно известные производители аккумуляторов и поставщики анодных материалов, при этом интерес к патентованию сосредоточен на применениях аккумуляторных анодов. [82]
Процесс отшелушивания объемного графита, который включает разделение углеродных слоев внутри графита, тщательно изучался в период с 2012 по 2021 год. В частности, ультразвуковое и термическое отшелушивание были двумя наиболее популярными подходами во всем мире: было получено 4267 и 2579 семейств патентов соответственно, что значительно больше, чем для химических или электрохимических альтернатив.
Глобальная патентная активность, связанная с ультразвуковым отшелушиванием, с годами снизилась, что указывает на то, что этот недорогой метод стал хорошо зарекомендовавшим себя. Термическое отшелушивание – более новый процесс. По сравнению с ультразвуковым отшелушиванием, этот быстрый термический подход без растворителей вызвал больший коммерческий интерес. [82]
Будучи наиболее распространенным анодным материалом для литий-ионных аккумуляторов , графит привлек значительное внимание во всем мире из-за использования в аккумуляторных батареях . Поскольку в период с 2012 по 2021 год было подано более 8000 семейств патентов, заявки на аккумуляторы стали ключевым фактором глобальных изобретений, связанных с графитом. Инновации в этой области возглавляют производители аккумуляторов или поставщики анодов, накопившие значительные портфели патентов, ориентированные на улучшение характеристик аккумуляторов на основе инновационных графитовых анодов . Помимо игроков отрасли, важным источником инноваций в технологиях графитовых анодов являются академические и исследовательские учреждения, в частности китайские университеты.
Графит для полимеров был горячей темой инноваций с 2012 по 2021 год: по всему миру зарегистрировано более 8000 семейств патентов. Однако в последние годы в ведущих странах происхождения заявителей в этой области, включая Китай, Японию и Соединенные Штаты Америки (США), количество заявок на патенты сократилось. [82]
Графит для производства керамики представляет собой еще одну область интенсивных исследований: только за последнее десятилетие было зарегистрировано более 6000 семейств патентов. В частности, на графит для огнеупорных материалов приходится более одной трети семейств патентов на графит, связанных с керамикой, в Китае и около одной пятой в остальном мире. Другие важные области применения графита включают в себя ценные керамические материалы, такие как карбиды , для конкретных отраслей промышленности, начиная от электротехники и электроники, аэрокосмической и точной техники и заканчивая военными и ядерными приложениями .
Угольные щетки представляют собой давно изученную область применения графита. За последнее десятилетие в этой области было сделано мало изобретений: с 2012 по 2021 год было подано менее 300 семейств патентов, что значительно меньше, чем в период с 1992 по 2011 год.
Биомедицинские , сенсорные и проводящие чернила — новые области применения графита, которые привлекли интерес как научных кругов, так и коммерческих организаций, включая известные университеты и транснациональные корпорации. Как правило, для развивающейся области технологий родственные семейства патентов подавали различные организации без доминирования каких-либо игроков. В результате у лучших заявителей небольшое количество изобретений , в отличие от хорошо изученных областей, где у них будет сильное накопление технологий и большие патентные портфели. Инновационная направленность этих трех новых областей сильно разбросана и может быть разнообразной даже для одного заявителя. Однако недавние изобретения, как видно, способствуют развитию графитовых наноматериалов , особенно графитовых нанокомпозитов и графена . [82]
В эту статью включен текст из бесплатного контента . Лицензия CC-BY. Текст взят из Отчета о патентном ландшафте — Графит и его применение, ВОИС.
