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.

Добыча графита осуществляется открытым и шахтным способом. Экономически оправданным является разработка месторождений, руда которых содержит его в количестве не менее 30%. Процесс добычи весьма похож на технологию работы с углем. В залежах графита пробуриваются отверстия, в которые закладывается взрывчатка.

Dobycha grafitovoi rudy

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:

Токопроводность.
Мягкость.
Отвердевание при воздействии высоких температур.
Стойкость к плавке.
Устойчивость к трению.

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.

Grafit 2

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.

Grafit 3

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.
Литейный кристаллический.
Аккумуляторный.
Для изготовления пишущих грифелей.
Элементарный.

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.

Grafitovye formy dlia litia

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:

Машиностроение.
Химпромышленность.
Металлургия.
Изготовление стройматериалов.
Атомная энергетика.
Медицина.
Производство электрооборудования в частности накопителей заряда.

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.

Grafit 4

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:

Ачесоновский.
Рекристаллизованный.
Пиролитический.
Доменный.
Карбидный.

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.