Графит для чего используется
Информмация
Графит – это минерал, используемый в самых разных областях промышленности.
Такая его популярность обусловлена уникальными свойствами (мягкости, легкой механической обработке, высокой электропроводности, химической инертности).
Существуют искусственные виды этого материала, которые также являются весьма востребованными. Их используют не только в разных сферах промышленности, но и для проведения микроскопических исследований (как калибровочный материал).
ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ГРАФИТА
ИСПОЛЬЗУЕТСЯ В ТАКИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТРАСЛЯХ:
Нередко применяются разновидности искусственного графита, пропитанные различными синтетическими смолами. Они используются для создания химической аппаратуры, незаменимы при изготовлении запорной или соединительной арматуры.
ИЗ ИСКУССТВЕННОГО ГРАФИТА ИЗГОТАВЛИВАЮТ ТАКЖЕ:
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАТУРАЛЬНОГО ГРАФИТА
Этот минерал обладает широчайшим спектром применения и является незаменимым в самых разных промышленных отраслях.
ГДЕ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ГРАФИТ:
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИТА В МЕТАЛЛУРГИИ:
МАШИНОСТРОЕНИЕ: ДЛЯ ЧЕГО ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ГРАФИТ
В этой отрасли использование минерала также весьма разнообразно. Его свойства делают графит незаменимым при создании самой различной продукции.
В МАШИНОСТРОЕНИИ ИЗ ГРАФИТА ПРОИЗВОДЯТ:
ГРАФИТ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ:
ГРАФИТ: ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ
Этот минерал входит в состав множества лекарственных средств (прежде всего гомеопатических). Его применяют при дерматологических заболеваниях, а также при образовании рубцов или спаек, нарушении обменных процессов.
Также из черного графита изготавливаются карандаши.
Структура и состав графита
Структура имеет свои определенные особенности. Атомы углерода ковалентно связаны между собой.
Модификаций природного минерала существует две:
Химический состав графита не отличается чистотой. В большом количестве (до 10-20%) присутствует зола, состоящая из разных составляющих (FeO, SiO2, Аl2O3, MgO, Р2О5, CuO, СаО и др.), газы (до 2%) и битумы, иногда вода.
Цвет преобладает железно-черный, доходя до стально-серого. Имеет сильный металловидный блеск; скрытокристаллические агрегаты не блестят, матовые. Показатель преломления графита Nm==l,93-2,07. На ощупь жирный, оставляет след на бумаге и пальцах. Удельный вес графита 2,09-2,23 (меняется исходя от степени дисперсности и присутствия тончайших пор), у шунгита 1,84-1,98. Обладает высокой электропроводностью, что связано с очень плотным расположением атомов в листах.
Графит не плавится, если накаливать в струе кислорода, то сгорает тяжелее в сравнении с алмазом. Улетучивается лишь в пламени вольтовой дуги, не плавясь. В кислотах не растворяется. В смеси с KNO3 порошок при нагревании дает вспышку.
Графит в природе
В природе содержится в гранитах, пирите. Он образуется в магматических и вулканических горных породах, скарнах и пегматитах при высоких температурах, встречается в кварцевых жилах с различными материалами, широко распространен в мраморе, кристаллических сланцах, гнейсах. В результате пиролиза под воздействием на каменноугольные отложения траппов образуются крупные залежи природного минерала.
Графит
Графит — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита. Различают месторождения кристаллического графита, связанного с магматическими горными породами или кристаллическими сланцами, и скрытокристаллического графита, образовавшегося при метаморфизме углей.
СТРУКТУРА
Гексагональная кристаллическая полиморфная (аллотропная) модификация чистого углерода, наиболее устойчивая в условиях земной коры. Слои кристаллической решетки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный вид симметрии), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический в.с.). Кристаллическая решетка графита — слоистого типа. В слоях атомы С расположены в узлах гексагональных ячеек слоя. Каждый атом С окружен тремя соседними с расстоянием 1,42Α
Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный P63/mmc) и β-графит (ромбоэдрический R(-3)m). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.
β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.
СВОЙСТВА
Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного твёрже, и становится очень хрупким. Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).
Теплопроводность графита от 278,4 до 2435 Вт/(м*К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры.
Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном — в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300—1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.
Коэффициент теплового расширения графита до 700 К отрицателен в направлении базисных плоскостей (графит сжимается при нагревании), его абсолютное значение с повышением температуры уменьшается. Выше 700 К коэффициент теплового расширения становится положительным. В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, коэффициент теплового расширения положителен, практически не зависит от температуры и более чем в 20 раз выше среднего абсолютного значения для базисных плоскостей.
Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость незначительна в базисной плоскости и велика в ортогональных базисным плоскостях. Коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2400 К.
МОРФОЛОГИЯ
Хорошо образованные кристаллы редки. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые, кривогранные, обычно имеют пластинчатую несовершенную форму. Чаще бывает представлен листочками без кристаллографических очертаний и их агрегатами. Образует сплошные скрытокристаллические, листоватые или округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — сферолитовые агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто наблюдается треугольная штриховка на плоскостях (0001).
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов.
Сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель.
ПРИМЕНЕНИЕ
Для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов.
Применяется в электродах, нагревательных элементах — благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).
Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений, твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках, наполнитель пластмасс.
Является замедлителем нейтронов в ядерных реакторах, компонентом состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином).
Используется для получения синтетических алмазов, в качестве эталона длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа, для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт, для изготовления тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов.
Описание графита. Свойства графита. Применение графита
Описание и свойства графита
Графит – это природный элемент, легко раскалываемый минерал, одна из модификаций углерода. Графит – материал очень мягкий, легко поддающийся механической обработке, обладает металлическим блеском. Графитовая формула – С (углерод).
Электропроводность графита, фото которого можно посмотреть выше, превышает ртутную электропроводимость в 2,5 раза. Удельное сопротивление электротока с температурой в 0 градусов находится в границах 0,390-0,602 Ом, а его самое низкое значение для различных видов данного элемента одно и то же – 0,0075 Ом.
Элемент отличается повышенной теплопроводимостью, коэффициент которой в 5 раз выше, чем имеет кирпич (0,041). Графитные медные цепочки отличаются более низкой теплопроводностью. Пределы температуры плавления – 3845-3890 С, кипение начинается при 4200 С. Во время сжигания элемента выделяется 7832 ккал тепла. Графит является диамагнитным.
Его основные химические свойства – инертность по отношению к жидкостям, газам и твёрдым веществам, способность растворяться в расплавленных металлах, с точкой плавления превышающей его собственную. На высокой температуре может взаимодействовать с другими элементами.
Не эластичен, но в то же время изгибается и режется. Благодаря жирности и пластичности имеет широкое применение в промышленном производстве. Жирность также позволяет применять его как смазочный материал. Плотность графита 2,23 г/ см3.
Графит отличается слоистой структурой, имеющей свои особенности. Атомы углерода кристаллической решётки графита представляют собой сотовые ячейки: шестиугольники, расположенные рядами. В каждом ряду атомы плотно связаны друг с другом, а ряды между собой имеют слабую связь. Поэтому графит легко сломать даже если только слабо надавить.
Твёрдость по шкале Мооса приравнивается к единице, в то время как у алмаза – десять, несмотря на тот факт, что алмаз и графит – это углеродовые подвиды. Всё дело в кристаллической решётке. У алмаза один атом углерода связан с четырьмя лежащими рядом. На основе исследований учёные доказали, что кристаллическая решётка графита при температуре выше 1500 С может преобразоваться в решётку алмаза.
В процессе переработки как физические, так и химические свойства графита меняются, поэтому его классифицировали на марки, которые имеют соответствующие различия. В промышленности отдельная марка графита используется для определённого вида продукции.
Производители продукции из графита предъявляют свои требования к сырью в зависимости от его назначения. В соответствии с этим проведена маркировка, и сейчас вырабатываются различные марки графита, имеющие каждая свое предназначение.
Месторождения и добыча графита
Ресурсы графита во всём мире составляют примерно 600 млн т, а его ежегодная добыча свыше 600 тыс. т. Наибольшими запасами владеют Мексика, Китай, Чехия, Бразилия, Украина, Россия, Южная Корея, Канада. Образовался этот минерал метаморфизацией осадочных пород из органических соединений. Месторождения графита с давних времён представляют интерес с экономической точки зрения и оцениваются мощностью в миллионы тонн.
Применение графита
И производители, и обыватели уже давно знакомы с графитовым веществом, зарекомендовавшим себя наличием качеств, которые позволяют применять его не только для производственных процессов, но и в повседневной жизни.
Является одной из составляющих при изготовлении огнеупорного кирпича. Полировочные и шлифовальные пасты получают из графитовых смесей. Учитывая электропроводящие свойства природного элемента, он незаменим для изготовления контактов электроприборов и электродов.
Промышленность по производству графитовых карандашей, смазочных материалов и изготовления красок тоже не обходится без этого вещества. Стержни для карандашей изготавливаются из чёрного графита, хотя в природе существует серый графит со стальным блеском. Является наполнителем пластмассы, с его помощью налажено производство искусственных алмазов.
Покрасочным средством, обладающим антикоррозионными качествами является краска графитовая. Она представляет собой однокомпонентную суспензию. В её состав, кроме графитового наполнителя, входят пластификатор и связующие пигменты. Применяя такую краску, защищают бетонные, стальные, деревянные, алюминиевые, чугунные изделия от коррозии.
В медицине графит зарекомендовал себя как одно из гомеопатических средств при кожных заболеваниях, являющихся следствием внутренних и трудно поддающихся терапии нарушений. Препятствует образованию спаек и рубцов после воспалений, а также влияет на обменные процессы. Заболевания, на которые благотворно воздействует графит, сложно перечислить, поэтому он входит в состав многих лекарственных препаратов.
Цена графита
Продажей графита занимаются специализированные компании, занимающиеся добычей и переработкой графита, цены на который достаточно приемлемы. Ценовая категория природного графита зависит от размеров его кристаллов и содержания углерода. Каждый сорт графита имеет свою стоимость – чем выше содержание углерода, тем лучше технические свойства, и тем он дороже.
Реализация данного минерала производится как в розницу, так и оптом. Потребитель может графит купить на выгодных для него условиях. При покупке оптом делается скидка, обеспечивается его доставка. Стоимость зависит и от региональной принадлежности. Средняя цена на графит примерно 45 руб/кг. Готовая продукция стоит дороже.
Графит. Виды и применение. Свойства и происхождение. Особенности
Графит – это самородный минерал на основе углерода, имеющий слоистую структуру. Представляет собой кристаллы различного размера с чешуйчатой структурой. Имеет темно-серый цвет с характерным металлическим блеском. В своем большинстве встречается в виде небольших включений, добыча и переработка которых нецелесообразна в экономическом плане. Однако существуют и большие месторождения. В них присутствует практически чистый минерал с небольшими примесями глины.
Добыча графита
Графитовые залежи располагаются в тех же местах, что и пирита, граната. Его можно найти в кварцевых жилах, мраморе. Минерал образовывается в результате воздействия высоких температур на вулканические и магматические породы. Также он формируется в результате пиролиза каменного угля.
Взорванная руда доставляется на поверхность, где измельчается. Она замешивается с водой и нефтью, что позволяет отделить графит от примесей. Его частицы прилипают к пузырькам воздуха, образовываемыми при перемешивании массы, и всплывают. Минерал снимается как пенка, после чего циклы очистки повторяются 4-5 раз, чтобы довести концентрацию графита до 90-96%.
Завершающим технологическим процессом является сушка графита. В результате добычи и очистки образовывается мелко дисперсионный красящий порошок. Чтобы сделать из него графитовое изделие, он смешивается с глиной с добавлением воды. В зависимости от того какая добавка используется, зависит конечная прочность и свойства изделия.
Готовая масса спрессовывается, и после сушки формируется в готовые изделия, к примеру, грифели простых карандашей. Та как они за счет присутствия воды получаются мягкими, то для увеличения жесткости обжигаются при температуре выше 1000°C. По результатам обработки изделие приобретает окончательную твердость. Однако это сопровождается появлением ломкости.
Свойства графита
Минерал обладает рядом важных качеств, которые делают его очень востребованным в промышленном производстве. К его основным параметрам можно отнести:
При пропускании через графит электрического тока происходит его нагревание. При этом материал в таких условиях не перегорает. Теплопроводность графита стала причиной его применения для изготовления щеток для двигателей, сердцевин батареек, контактов для электротранспорта.
Существует больше десяти видов графита, используемых в промышленности. Все они способны передавать электрический ток. Минимальное значение проводимости в интервале 300-1300 К. Лучшим проводником из графитов является рекристаллизованный.
В чистом виде минерал имеет твердость 1 по шкале Мооса. Это очень низкий показатель. Именно по этой причине для увеличения его твердости выполняется смешивание с глиной и запекание.
Низкая твердость стала причиной использования графитового порошка в качестве смазочного материала для трущихся деталей. Он добавляется в солидол. Графитная смазка превосходит все остальные по эффективности работы. К тому же она превышает обычные аналоги по термостойкости.
Графит становится более твердым при обжиге, даже без добавления в его состав глины. Однако его механическая прочность в таком виде слишком низкая. После обжига материал становится ломким. Включение глины компенсирует это свойство минерала.
Минерал не расплавляется при воздействии высоких температур. За счет этого он пользуется спросом для изготовления контактов для передачи больших токов. В условиях отсутствия воздуха возможен разогрев графита до предельных температур, при которых сталь просто превращается в жидкость. Такой же мощный подогрев в воздушной среде приводит к выгоранию материала. Чтобы его расплавить, требуется создать температуру порядка 3890°C.
При трении графитовые изделия начинают оставлять после себя след на боле твердых поверхностях. Благодаря этому качеству материал и применяется для изготовления простых карандашей. Из него делают их сердцевины.
Материал обладает хорошей теплопроводностью порядка 100 до 354,1 Вт/(м·К). Нужно отметить, что этот показатель сильно зависит от вида графита. Ввиду особой кристаллической решетки построения молекул графита, он обладает разной токопроводностью в зависимости от направления передачи электричества. В обычных условиях по этому свойству минерал практически приравнивается к металлу. При перпендикулярном направлении передачи скорость продвижения электричества замедляется в сотни раз.
Весьма необычным является то, что он сжимается при нагреве, а не расширяется как металлы, жидкости, дерево и т.д. Самый твердый материал алмаз образовывается в результате сильного давления на графит. Однако сам исходный минерал настолько мягкий, что его легко поцарапать ногтем. Отличительным качеством графита является тактильное ощущение жирности на его поверхности. За счет этой скользкости он может использоваться как для смазки трущихся деталей без добавления нефтепродуктов. Это особенно ценно для механизмов, работающих в условиях повышенных температур.
Виды природного графита
Свойства минерала отличаются, в зависимости из того, из какого сырья он образовался.
Различают следующие виды природных графитов:
Тигельный отличается высокой стойкостью к повышенным температурам. Он нормально переносит резкие колебания температуры. Материал отлично передает тепло. Из него делают огнеупорные изделия.
Литейный используется для изготовления форм для отлива металлов. У него малый коэффициент расширения. Он не теряет прочность при повышении температуры.
Аккумуляторный имеет подходящие качества для изготовления на его основе стержней, которые используются в батарейках, аккумуляторах и прочих изделиях, задействованных в накоплении электрической энергии. Он не заменим при изготовлении литий-ионных АКБ.
Где используется графит
Область потребления графита очень община. Из него делают разные изделия в таких областях:
Большие графитовые стержни применяются в качестве замедлителя нейтронов. Путем их погружения, возможно остановить работу ядерного реактора. Графитовые изделия имеют большую сферу использования в металлургии. Они применяются для изготовления тиглей для плавки металла. Также их них изготавливают формы для заливки стали. Минерал используется для насыщения железа углеродом. Это важный компонент для повышения твердости металлов. Графитовым порошком посыпаются литейные формы. В этом случае он применяется в качестве разделителя, препятствующего прилипанию металла к ним.
Существенная часть добываемого графита используется в сфере машиностроения. Из него делают скользящие контакты для электромоторов, генераторов. Также нашли широкое применение подшипники из графита. На его основе делают электростатическое покрытие, нагревательные элементы, электроды. С повышением популярности литий-ионных аккумуляторов, потребление графита увеличилось, так как он используется для их производства.
Искусственный графит
Образование графита в природе является долгим процессом, который сопровождается воздействием высоких температур. Сделать минерал со схожей кристаллической решеткой на основе углерода можно и искусственно. Такие технологии получили распространение.
Разделяют следующие виды искусственного графита:
В отдельных случаях его производство искусственным способом является экономически целесообразно, так как фактические физические и химические качества такого материала могут быть уникальными, подходящими для конкретных способов применения. Так, ачесоновский графит производится путем нагрева кокса и пека, смешанных в строгой пропорции, до температуры 2800°C. Это один из самых бюджетных и простых методов получения минерала искусственным путем.
Рекристаллизованный способ производства подразумевает механическую обработку смеси кокса, пека, природного графита и специальных карбидообразующий добавок под воздействием высокой температуры. В результате кристаллическая структура включений минерала перестраивает прочие компоненты под себя.
Пиролитическим способом производят так называемый электро-графит, используемый в сфере электроники. Его получают методом пиролиза углеродов в газообразном состоянии в условиях вакуума при воздействии температуры 1,5 тыс. градусов. Это продолжается до образования пироуглерода, который для формирования графита доводится до температуры 3 тыс. градусов под давлением не менее 50 МПа.
Доменный образовывается в результате медленного охлаждения объемных масс чугуна. В результате длительного температурного воздействия образуются большие графитовые включения. Карбидный получают в результате разложения карбидов под воздействием высоких температур.