Графит: плотность, свойства, особенности применения и виды. Где используется графит

Графит - это природный минерал серого или черно-стального цвета с металлическим блеском, являющийся одной из модификаций углерода, – С (углерод). Главными свойствами графита является высокая электропроводность, стойкость к высоким температурам (графит не плавится при температуре до 3000⁰С при условии отсутствия кислорода) и действию кислот. Материал легкий в обработке, прочный и инертный по отношению к большинству газов, жидкостей и твердых веществ.Основным элементом в составе графита является углерод, но при этом он может содержать примеси в виде золы, влаги, летучих веществ.

Благодаря своим физико-химическим свойствам, графит нашел широкое применение в металлургической, строительной, ювелирной отраслях, а также в машиностроении.

имеет слоистую структуру. Углеродные слои слабоволнистые, практически плоские, расположены параллельно друг другу и слабо связаны между собой. В структуре кристаллической решетки графита каждый атом углерода очень тесно связан с четырьмя соседними, что придает графиту прочность в пределе одного слоя, но легкую расщепляемость на тонкие слои.

Более того, результаты многих исследований доказали, что, благодаря единой химической формуле графита и алмаза и одинаковому составу атомов, при высокой температуре (выше 1500⁰С) и давлении в 6 ГПа кристаллическая решетка графита может преобразоваться в кристаллическую решетку алмаза.

Марки графита

В результате переработки графита его физико-химические свойства могут меняться, поэтому для их обозначения принято разделять графиты на марки, каждая из которых имеет определенные технологические и физико-химические свойства. Главным критерием при делении графитов на промышленные марки является степень его очистки, а каждая марка графита используется для изготовления отдельных видов продукции.

На сегодняшний день на Украине более всего востребованы марки графита ГЭ-0 (крупнозернистые малозольные графиты общего назначения), графит ГЛ-1 (графит литейный) и МПГ-7 (изостатические графиты). Намного реже используются особокачественные и особочистые (ОСЧ) импортные графиты. К сожалению, на Украине налажено производство лишь электродных марок графитов (ГЭ).

Применение графита

Использование разных марок графита основано на уникальных свойствах каждой из них. Благодаря стойкости к высоким температурам, их используют при изготовлении футеровочных плит и плавильных тиглей.

Высокая электропроводимость графита и его стойкость к действию кислот и водных растворов, позволяют изготавливать из него различные нагревательные элементы и электроды.

Очень широко графиты применяются для получения химически активных металлов. Так для получения алюминия очень важны электропроводность и газообразность продукта – а эти свойства, как известно, присущи графиту. Также из графитов изготавливают твердые смазочные материалы, наполнители платсмасс. Их используют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейронов.

Формула графита, состав атомов и многие свойства этого минерала совпадают с формулой, составом и свойствами алмазов, поэтому графиты находят широкое применение в процессе получения синтетических алмазов. Также используются для изготовления токосъемников и контактных щеток для электротранспорта, электрических машин, подъемных кранов, мощных реостатов. Кроме того, графит является главным компонентом в составе стержней для черных графитовых карандашей (как правило, используется в составе с каолином).

Графит (от др.-греч. γράφω - пишу) — минерал, неметалл из класса самородных элементов. Гексагональная модификация углерода. Формула: С. Первоначально английские пастухи, открывшие минерал в XVI веке, приняли графит за свинец.

Графит в музее минералогии, Бонн.

Блеск металловидный, жирный или графит матовый. Твердость 1-2. Удельный вес 2,09-2,23 г/см 3 . Пишет на бумаге, пачкает руки. Жирен на ощупь. Цвет железно-черный, стально-серый. Черта черная. Спайность весьма совершенная. Сплошные чешуйчатые, плотные или землистые массы, вкрапления и кристаллы в виде шестиугольных пластинок. Сингония гексагональная. Кристаллы встречаются редко. Кристаллическая структура графита обусловливает его отличия от алмаза - другой аллотропной формы углерода, в котором атомы прочно связаны друг с другом по всем направлениям. Кристаллическая структура графита определяет и его малую твердость, легкость растирания, ощущение жирности, весьма совершенную спайность, непрозрачность, металловидный блеск, высокую электропроводность.

Отличительные признаки . Для графита характерна небольшая твердость (графит мягкий), графит легко пишет на бумаге, имеет более или менее постоянный стально-серый, железно-черный цвет. Графит можно спутать с молибденитом. В отличие от молибденита графит растирается пальцами в черную пыль (молибденовый блеск растирается в светло-серый порошок).

Химические свойства . С кислотами не взаимодействует. При нагревании с селитрой дает вспышку. Кусочек цинка, помещенный на поверхности графита и смоченный каплей медного купороса, выделяет пятно меди (отличие от молибденита).

Разновидность : Шунгит -аморфная разность графита.

Происхождение графита

Известные крупные месторождения графита образовались в результате изменения осадочных отложений органогенного происхождения (каменных углей, битумов и т. п.) под действием контактного или глубинного (регионального) метаморфизма. В отдельных случаях графит образовался в результате непосредственной кристаллизации из магм, богатых углеродом, или восстановления известняков, захваченных магматическими породами.

Наибольшее практическое значение имеет графит метаморфического происхождения.

Встречается в контактовой зоне каменного угля с магматическими породами, в гнейсах, в кристаллических сланцах, в мраморах, в контактах магматических пород с известняками, в виде вкраплений в кислых, средних и основных магматических породах, в пневматолитовых образованиях.

Спутники . В контактах магматических пород с известняками: апатит, флогопит. В пневматолитовых образованиях: кварц, полевой шпат, каолинит, апатит, биотит, титаномагнетит. В гнейсах: каолинит.

Применение графита

Графит используется очень широко. Можно сказать, что нет ни одной отрасли, где бы он в той или иной степени ни применялся. Необходим графит главным образом в металлургической промышленности для изготовления огнеупорных тиглей и для покрытия поверхности литейных форм с целью предохранения отливки от пригара формовочной земли; кроме того, в электропромышленности - в производстве электродов и дуговых углей, в производстве карандашей, черных красок, черной копировальной бумаги, типографской краски или же китайской туши. Используется также как смазочное вещество (в тех случаях, когда вследствие высокого нагрева нельзя применять масла) и в паровых котлах в качестве антинакипного средства. В последнее время применяется для изготовления графитовых блоков «атомных котлов» и изготовления космической техники. Из графита получают искусственный алмаз. Графитовая жидкость применяется при объемном прессовании детален автомобилей. Штампы, обволакиваемые этим веществом, обеспечивают высокую чистоту поверхности стальных заготовок, что исключает их последующую обтирку на шлифовальных станках.

Месторождения

Имеются несколько граффито-носных провинций: Украинская, Уральская, Тунгусская (Ногинское, Курейское), Верхне-Саянская (Ботогольское), Уссурийская и другие.

Крупные месторождения графита имеются в Южной Корее, Мексике (штат Сонора), Малагасийской Республике, Шри-Ланке, Индии, ФРГ и Швеции.

(карбид железа; Fe 3 C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Структуры железоуглеродистых сплавов Чугуны

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

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, причем положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Применение

Cувенирный графитовый блок.

Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

• 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

• электродов , нагревательных элементов - 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. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:

1. Хорошая электропроводность, и как следствие - его пригодность для изготовления электрода
2. Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде - это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия.

• твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках

• наполнитель пластмасс

• замедлитель нейтронов в ядерных реакторах

• компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином)

• для получения синтетических алмазов

• 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.

• как токопроводящий компонент высокоомных токопроводящих клеёв

Литература

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
• Klein, Cornelis and Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual of Mineralogy: after Dana 20 th ed. ISBN 0-471-80580-7

Примечания

Ссылки

Область применения графита, описание и свойства. Виды природного и искусственного графита - химическая структура, механические и физические характеристики.

Графит (от др.-греч. γράφω - пишу) – это природный материал, относящийся к классу самородных элементов, аллотропная модификация углерода. Он имеет слоистую структуру. Каждый слой кристаллической решетки графита может по-разному располагаться по отношению друг к другу, образуя политипы. Графит находит свое применение в производственной и промышленной деятельности. Графитовые изделия отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками. Графит устойчив к химическим и природным воздействиям, он достаточно прочный, хорошо проводит электрический ток, отличается низкой твердостью, относительной мягкостью, после воздействия высоких температур затвердевает. Плотность составляет 2.23 г/см 3 . Графит имеет металлический блеск и темно-серый цвет. Теплопроводность этого минерала достаточно большая, поэтому его используют для изготовления комплектующих деталей электрооборудования.

Структура и состав графита

Структура имеет свои определенные особенности. Атомы углерода ковалентно связаны между собой.

Модификаций природного минерала существует две:

• α-графит (гексагональный). В данной модификации половина атомов каждого из слоев располагается под и над центром шестиугольника.
• β-графит (ромбоэдрический). В этой модификации графита каждый четвертый слой атомов повторяет первый. В природе он в чистом виде не наблюдается. При температуре от 2500 до 3300К ромбоэдрический графит переходит полностью в гексагональный. Природный материал удобно представляется в гексагональных узлах.

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.

Показатели:

• Содержание минералов 2.0%
• Содержание углерода > 98.0%
• Содержание серы 550 ppm
• Температурный диапазон -200...3000°C
• Выщелачиваемый хлорид 50 ppm
• Сжимаемость 40%
• Регенерация 15%
• pH диапазон 0-14
• Проседание под нагрузкой

Виды природного графита:

• тигельный (используется для производства огнеупорных изделий. Он отличается повышенной теплопроводностью и стойкостью к резким температурным перепадам),
• литейный кристаллический (имеет низкий коэффициент расширения, характеризуется прочностью при высоких температурах, используется при отливе деталей),
• аккумуляторный (применяется как добавка, графит используется для производства электродов, отличается повышенными техническими и химическими свойствами),
• для производства стержней для карандашей (тонкодисперсный, мягкий, не содержит примесей железа),
• элементный (графит используется для производства гальванических элементов, отличается повышенной тепло- и электропроводностью),
• электроугольный,
• для изготовления смазок и электропроводящей резины.

Искусственный графит - область применения

Искусственно производится конструкционный, мелкозернистый, антифрикционный и литейный графит. Область применения материала достаточно широкая. Графит используется для изготовления огнеупорных материалов, электрических машин и установок, в химической, горнодобывающей промышленности, а также на производстве. Из него также изготавливают стержневые карандаши, краски, покрытия и аккумуляторные батареи. Графит незаменим в ядерной промышленности и в других узконаправленных областях.

Углерод в природе присутствует в самородном виде, образуя две полиморфные разновидности - графит и алмаз, идентичные по своему составу, но резко отличающиеся по структуре и физическим свойствам.

Графит встречается в виде рассеянных чешуек, либо их листоватых агрегатов (кристаллический чешуйчатый графит, flake graphite), плотных зернистых агрегатов (кристаллический кусковый графит, vein type, lump graphite), либо плотных скрытокристаллических масс (аморфный графит, amorphous graphite). Кроме того, в промышленности все шире используется искусственный (коксовый, доменный, ретортный) графит, специально получаемый из антрацита, нефтяного кокса, а также из отходов доменного производства.

Чешуйчатые графиты по диаметру кристаллов разделяются на крупночешуйчатые (0,1 -Х,0 мм) и мелкочешуйчатые (0,001-0,1мм). В литокристаллическом кусковом графите размер кристаллов тот же, что и в мелкочешуйчатом, однако они не ориентированы, что затрудняет расщепление агрегата и сдвиги при деформации. Промышленные руды чешуйчатого графита содержат от 2 до 15% (редко более) этого минерала. Они легко обогащаются флотацией с получением концентрата, содержащего 80-90% и более графита. В плотно кристаллических кусковых pудах массовая доля графита составляет 35-40% и более; без обогащения используется руда, в которой эта величина поднимается до 60-80%.

Величина зерен в скрыто кристаллическом (аморфном) графите менее 0,001мм. Скрытокристаллическая руда (аморфный графит) труднообогатима. Без обогащения используются руды с содержанием углерода около 70%, бедные руды (20-40%) обогащаются ручной разборкой.

Искусственный графит по качеству приблизительно соответствует чешуйчатому и плотно кристаллическому, отличаясь большей чистотой и меньшей кристалличностью.

В зависимости от структурного строения графиты делятся на: - явнокристаллические, -скрытокристаллические, - графитоиды, - высокодисперсные графитовые материалы.

В свою очередь, явнокристаллические графиты по величине и структуре кристаллов делятся на: - плотнокристаллические, - чешуйчатые.

Электрические свойства графита. Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 Ом.

Термические свойства графита. Графит обладает высокой теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и занимает место между палладием и платиной. Коэффициент теплопроводности 0,041 (в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных. Температура плавления графита - 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм. Точка кипения доходит до 4200 С. Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, Находится в пределах от 7832 до 7856 ккал.

Магнитные свойства. Графит считается диамагнитным.

Химические свойства. Химически инертен и не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При растворении образуются карбиды, наиболее важными из которых являются карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора. При обычных температурах графит соединяется с другими веществами весьма трудно, но при высоких температурах он дает химические соединения со многими элементами.

Механические свойства. Графит не обладает эластичностью, но, тем не менее, может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм2, а модуль изгиба равен 836 кг/мм2. Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям.

Оптические свойства. Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55.

Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической промышленности. Графит является футеровочным материалом электролизеров для получения алюминия. Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других тепловых агрегатов. Из графита готовятся тигли, лодочки для производства сверхтвердых сплавов.

В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства теплообменников, работающих в агрессивных средах а так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.

Промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные - гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи. В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников. Обработка графита требуется для получения сложных изделий.

Различные отрасли промышленности предъявляют свои специфические требования к качеству графитного сырья (руд и концентратов). В настоящее время производятся следующие типы и марки графита: литейный (марки ГЛ, ГЛС), элементный (ГЭ), электроугольный (ЭУЗ, ЭУТ, ЭУН), аккумуляторный (ГАК), тигельный (ГТ), карандашный, смазочный (ГК, ГС, П), специальный малозольный (ГСМ-1, ГСМ-2), графит для специальных сталей (ГСС), особо чистый графит для ядерных реакторов и др. Его состав варьирует в широких пределах: 40-97% графита, 0,7-7,5% летучих, 1,75-26,5% золы. Общими лимитирующими показателями являются зольность, влажность, содержание летучих, иногда железа, серы, меди, фосфора и других элементов, а также величина рН водной вытяжки.

Производимый в СНГ графит, в зависимости от сферы применения должен соответствовать требованиям ГОСТов, в частности: Графит тигельный (тигель графитовый) ГОСТ 4596-75, Графит кристаллический литейный ГОСТ 5279-74, Графит аккумуляторный ГОСТ 10273-79, Графит для производства карандашных стержней ГОСТ 4404-78, Графит элементный ГОСТ 7478-75, Графит электроугольный ГОСТ 10274-79, Графит для изготовления смазок покрытий и электропроводящей резины ГОСТ 8295-73.

Терморасширенный графит. Терморасширенный графит (далее ТРГ) был разработан компанией UCAR Carbon Co. Inc более 30 лет назад. Это характерный гибкий листовой материал, унаследовавший от графита высокую стойкость к температурным и химическим воздействиям и приобретший дополнительные свойства гибкости, податливости и прочности на сжатие и растяжение. Эти свойства отличают ТРГ от прочих видов углерода и графита и делают его превосходным и высокоэффективным набивочным и уплотнительным материалом.

Показатели:

Выщелачиваемый хлорид 50 ppm

Температурный диапазон -200...3000°C

Сжимаемость 40%

Регенерация 15%

Проседание под нагрузкой <5%

pH диапазон 0-14

Названия:

терморасширенный графит

гибкий графит

Переход на уплотнения из ТРГ взамен традиционно используемых позволяет увеличить средние сроки межремонтной эксплуатации арматуры в 2,5-8 раз, а центробежных насосов в 5-13 раз.

Ведущим экспортером природного графита в 2006-2008 гг. выступил Китай, на чью долю в 2008-2009г. г. пришлось 70% всего объема продаваемого в мире графита. Производство графита в Китае, как ожидают, продолжит рост, поскольку китайские производители очень тесно сотрудничают с западными потребителями графита.

Также мировыми лидерами экспорта (73-77 тыс. т) являются Канада, Бразилия, Мексика, Шри Ланка чей совокупный экспорт в период 2006-2009 гг. составлял около 9-12 % всего объема.

Балансовые запасы графитовых руд в России составляют по кат. А+В+С1 139,71млн. тонн (графита - 13,54 млн.т). Преобладает скрытокристаллический графит с содержанием графитового углерода до 82%. Практически все запасы (99,5%) сосредоточены в Сибирском ФО (Красноярский край, Эвенкийский АО). Запасы кристаллического графита составляют 4,5 млн. тонн по кат. А+В+С. При этом около 77% запасов кристаллического графита находятся в бедных рудах с содержанием графита менее 4-6%. Значительная часть балансовых запасов кристаллического графита требует переоценки, так как разработка их нецелесообразна по ряду причин – низкое качество и плохая обогатимость руд, расположение в природоохранных зонах или охранных целиках.

В мире имеется значительный резерв неосвоенных месторождений, однако качество большинства руд недостаточно высокое и условия их отработки сложные. Мировое производство природного графита в последнее время находится на уровне 1,13 млн. тонн

Крупнейшими потребителями природного графита (около 50 % всего объема природного графита) в 2006-2010 гг. выступили такие промышленно развитые страны как США, Япония, Германия, Китай. Эти страны (за исключением Китая) являются и ведущими импортерами графита, на чью долю приходится около 350 - 450 тыс. т. мирового потребления.

Стоимость природного графита определяется размером его кристалла и содержанием в нем углерода. Существует дифференциация цен на графит по его сортам - наибольшая цена определена для типа графита с максимальным содержанием углерода в данном сорте. В 2006г., когда поставки природного графита были широко доступны, главным образом из Китая, цены на сырье были сравнительно низкие. К 2009-2010 гг. цены достигли максимума.