Grafiitti

Grafiitti ( toisesta kreikan sanasta γράφω  "kirjoita, kirjoita") on mineraali alkuperäisten alkuaineiden luokasta , yksi hiilen allotrooppisista muunnelmista . Rakenne on kerrostettu. Kidehilan kerrokset voidaan järjestää eri tavalla toistensa suhteen muodostaen useita polytyyppejä , joiden symmetria on kuusikulmaisesta syngoniasta (diheksagonaalinen-dipyramidaalinen) trigonaaliseen (ditrigonaalinen-skanoedri). Kerrokset ovat hieman aaltoilevia, lähes litteitä ja koostuvat kuusikulmaisista hiiliatomikerroksista. Kiteet lamellimaisia, hilseileviä. Muodostaa folioisia ja pyöristettyjä säteittäisiä säteileviä aggregaatteja , harvemmin samankeskisen vyöhykkeen rakenteen aggregaatteja. Karkeakiteisillä segregaatioilla (0001)-tasoilla on usein kolmion muotoinen kuoriutuminen. Luonnongrafiitilla on lajikkeita: tiheäkiteinen (suoni), kiteinen (hilseilevä), kryptokiteinen (amorfinen, mikrokiteinen) ja eroaa kidekoon mukaan.

Historia

Grafiitti on tunnettu muinaisista ajoista lähtien, mutta tarkkaa tietoa sen käyttöhistoriasta ei saada, koska väriominaisuudet ovat samankaltaisia ​​muiden mineraalien, kuten molybdeniitin , kanssa . Yksi varhaisimmista todisteista grafiitin käytöstä on Boyan-Maritsa- kulttuurin ( 4000 eKr. ) keramiikka, joka on maalattu tällä mineraalilla [1] . Nimen "grafiitti" ehdotti vuonna 1789 Abraham Werner , on olemassa myös nimiä "musta lyijy" ( englanniksi  black lead ), "karbidirauta", "hopealyijy" [2] .

Fysikaaliset ominaisuudet

Johtaa hyvin sähköä . Sillä on alhainen kovuus (1 Mohsin asteikolla ). Suhteellisen pehmeä. Korkeille lämpötiloille altistumisen jälkeen siitä tulee hieman kovempi ja erittäin hauras. Tiheys 2,08-2,23 g/cm³. Väri tummanharmaa, metallinen kiilto . Haihtumaton, stabiili kuumennettaessa ilman ilman puuttuessa. Rasvainen (liukas) kosketukseen. Luonnongrafiitti sisältää 10-12 % savea ja rautaoksideja. Hierottaessa se irtoaa erillisiksi suomuiksi (tätä ominaisuutta käytetään kynissä ).

Grafiitin lämmönjohtavuus on 100 - 354,1 W/(m K) riippuen grafiitin merkistä, suunnasta suhteessa perustasoihin ja lämpötilasta [3] .

Grafiitin yksittäiskiteiden sähkönjohtavuus on anisotrooppinen , lähellä metallia perustason suuntaisessa suunnassa ja satoja kertoja pienempi kohtisuorassa suunnassa. Johtavuuden minimiarvo havaitaan välillä 300–1300 K, ja minimin paikka siirtyy alhaisten lämpötilojen alueelle täydellisten kiderakenteiden saavuttamiseksi. Uudelleenkiteytetyllä grafiitilla on korkein sähkönjohtavuus.

Grafiitin lämpölaajenemiskerroin 700 K asti on negatiivinen perustasojen suunnassa (grafiitti kutistuu kuumennettaessa), sen itseisarvo pienenee lämpötilan noustessa. Yli 700 K lämpölaajenemiskerroin muuttuu positiiviseksi. Perustasoihin nähden kohtisuorassa suunnassa lämpölaajenemiskerroin on positiivinen, käytännössä lämpötilasta riippumaton ja yli 20 kertaa suurempi kuin perustasojen keskimääräinen absoluuttinen arvo.

Grafiitin lämpökapasiteetti lämpötila-alueella 300÷3000 K on hyvin sopusoinnussa Debye - mallin kanssa [4] . Korkean lämpötilan alueella T>3500K:n jälkeen havaitaan grafiitin lämpökapasiteetin poikkeavaa käyttäytymistä timantin tapaan : lämpökapasiteetin kokeelliset tiedot poikkeavat jyrkästi ylöspäin normaalista ( Debye ) -käyrästä ja niitä arvioidaan eksponentiaalisella funktiolla [ 5] [6] [7] , jonka aiheuttaa kidehilan lämmön absorptio Boltzmannin komponentti [8] .

Sulamislämpötilarajat - 3845-3890 °C, kiehuminen alkaa 4200 °C:ssa . 1 kg grafiittia poltettaessa vapautuu 7832 kcal lämpöä.

Grafiittiyksityiskiteet ovat diamagneettisia , magneettinen susceptibiliteetti on mitätön perustasolla ja korkea ortogonaalisissa perustasoissa. Hall-kerroin muuttuu positiivisesta negatiiviseksi lämpötilassa 2400 K.

Kemialliset ominaisuudet

Se muodostaa inkluusioyhdisteitä monien aineiden kanssa (alkalimetallit, suolat).

Reagoi korkeassa lämpötilassa hapen kanssa, palaen hiilidioksidiksi. Fluorauksella kontrolloiduissa olosuhteissa voidaan saada (CF) x .

Se on liukenematon hapettamattomiin happoihin .

Rakenne

Jokainen hiiliatomi on sitoutunut kovalenttisesti kolmeen muuhun sitä ympäröivään hiiliatomiin .

Grafiitista on kaksi muunnelmaa: α-grafiitti (heksagonaalinen P63/mmc) ja β-grafiitti (romboederinen R(-3)m). Ne eroavat kerrospakkauksesta. α-grafiitissa puolet kunkin kerroksen atomeista sijaitsee kuusikulmion keskipisteiden ylä- ja alapuolella (jossa ... ABABABA ...), ja β-grafiitissa joka neljäs kerros toistaa ensimmäisen. Romboedrinen grafiitti on kätevästi edustettuna kuusikulmainen akseleilla sen kerrosrakenteen osoittamiseksi.

β-grafiittia ei havaita puhtaassa muodossaan, koska se on metastabiili faasi. Luonnongrafiiteissa romboedrisen faasin pitoisuus voi kuitenkin olla 30 %. 2500-3300 K:n lämpötilassa romboederinen grafiitti muuttuu täysin kuusikulmaiseksi.

Olosuhteet luonnossa

Liittyvät mineraalit: rikkikiisu , granaatti , spinelli . Muodostunut korkeissa lämpötiloissa vulkaanisiin ja magmaisiin kiviin , pegmatiitteihin ja skarneihin . Esiintyy kvartsisuonissa volframiitin ja muiden mineraalien kanssa keskilämpötilaisissa hydrotermisissä polymetalliesiintymissä . Se on laajalti levinnyt metamorfisiin kiviin  - kiteisiin liuskeisiin, gneisseihin , marmoreihin . Suuret kerrostumat muodostuvat hiilen pyrolyysin seurauksena hiiliesiintymien ansojen vaikutuksesta ( Tunguskan allas , kryptokiteisen (amorfisen) grafiitin Kureyn esiintymä, Noginskoje-esiintymä (tällä hetkellä ei kehitetty). Meteoriittien lisämineraali. Ionimassaspektrometriaa käyttäen, Venäläiset tutkijat onnistuivat havaitsemaan, että grafiitti sisältää kultaa, hopeaa ja platinoideja (platina, palladium, iridium, osmium jne.) organometallisten nanoklustereiden muodossa.

Keinotekoinen synteesi

Keinotekoista grafiittia saadaan eri tavoilla:

• Achesonian grafiitti : koksin ja piken seoksen kuumentaminen 2800 °C:seen;.
• Uudelleenkiteytetty grafiitti : koksia, pikeä, luonnongrafiittia ja karbidia muodostavia alkuaineita sisältävän seoksen termomekaaninen käsittely.
• Pyrolyyttinen grafiitti : pyrolyysi kaasumaisista hiilivedyistä 1 400–1 500 °C:n lämpötilassa tyhjiössä , minkä jälkeen tuloksena olevan pyrohiilen kuumennus 2500–3000 °C:n lämpötilaan 50 MPa:n paineessa (tuloksena oleva tuote on pyrografiitti; nimi " elektrografiittia" käytetään sähköteollisuudessa).
• Aluegrafiitti : vapautuu, kun suuria valurautamassoja jäähdytetään hitaasti.
• Karbidigrafiitti : Muodostuu karbidien lämpöhajoamisesta.

Kierrätys

Grafiitin käsittely tuottaa erilaisia ​​grafiittilaatuja ja niistä valmistettuja tuotteita.

Grafiitin peruslaatuja saadaan rikastamalla grafiittimalmeja. Puhdistusasteesta riippuen grafiittirikasteet luokitellaan teollisiin luokkiin käyttöalueiden mukaan, joista jokainen asettaa erityisiä vaatimuksia grafiittien fysikaalis-kemiallisille ja teknologisille ominaisuuksille.

Venäläisten tutkijoiden viimeisimpien löytöjen valossa on ilmestynyt mahdollisuus saada kultaa ja platinoideja grafiittimalmeista.

Grafiitin käsittely lämpölaajennetuksi grafiitiksi

Ensimmäisessä vaiheessa alkuperäinen kiteinen grafiitti hapetetaan. Hapetus pelkistyy rikki- tai typpihapon molekyylien ja ionien johtamiseen hapettavan aineen (vetyperoksidi, kaliumpermanganaatti jne.) läsnä ollessa grafiittikidehilan kerrosten välissä. Hapetettu grafiitti pestään ja kuivataan. Sitten hapettuneelle grafiitille suoritetaan lämpökäsittely T=1000°C asti nopeudella 400-600°C/s. Erittäin suuresta kuumennusnopeudesta johtuen grafiittikidehilasta vapautuu jyrkästi lisätyn rikkihapon kaasumaisia ​​hajoamistuotteita. Kaasumaiset tuotteet luovat suuren (jopa 300-400 atm) irtoavan paineen rakeiden väliseen tilaan, jolloin muodostuu termisesti laajennettua grafiittia, jolle on ominaista suuri ominaispinta-ala ja alhainen irtotiheys. Tuloksena olevaan materiaaliin jää tietty määrä rikkiä käytettäessä sulfaattitekniikkaa. Lisäksi tuloksena oleva termisesti laajennettu grafiitti valssataan, joskus lujitetaan, lisäaineita lisätään ja puristetaan tuotteiden saamiseksi.

Grafiitin käsittely eri laatujen keinotekoisen grafiitin saamiseksi

Keinotekoisen grafiitin valmistuksessa käytetään pääasiassa täyteaineena maaöljykoksia ja sideaineena kivihiilitervapikeä. Grafiitin rakennelaaduissa täyteaineen lisäaineina käytetään luonnongrafiittia ja hiilimustaa. Kivihiilitervapikin sijasta sideaineena tai kyllästäjänä käytetään joitain synteettisiä hartseja, esimerkiksi furaania tai fenolia.

Keinotekoisen grafiitin tuotanto koostuu seuraavista tärkeistä teknologisista vaiheista:

• koksin valmistus tuotantoa varten (koksin esimurskaus, kalsinointi, jauhaminen ja seulonta jakeiksi);
• sideaineen valmistelu;
• hiilimassan valmistus (koksin annostelu ja sekoitus sideaineen kanssa);
• niin sanottujen "vihreiden" (polttamattomien) aihioiden muovaus tyhjäksi matriiksi tai lävistyspuristimen suukappaleen läpi;
• polttoaihiot;
• työstökappaleiden grafitointi;
• työstökappaleiden koneistus tuotteiden kokoon.

Koksi murskataan 30-40 mm:n paloiksi ja kalsinoidaan sitten erityisissä kalsinointiuuneissa 1300 °C:ssa. Kalsinoinnin aikana koksin lämpöstabiilisuus saavutetaan, sen haihtuvien aineiden pitoisuus vähenee ja sen tiheys, sähkön- ja lämmönjohtavuus kasvavat. Kalsinoinnin jälkeen koksi jauhetaan vaadittuun kokoon. Koksijauheet annostellaan ja sekoitetaan pikeen sekoittimissa 90–130°C:ssa.

Kuivat komponentit ladataan ensin sekoituskoneeseen ja sitten lisätään nestemäistä pikeä. Sekoituksen jälkeen massa jäähdytetään tasaisesti puristuslämpötilaan (80–100 °C). Aihiot puristetaan joko suulakepuristamalla massa suukappaleen läpi tai muotissa. Kylmiä jauheita puristettaessa jauhatuksen ja sekoituksen valmistustekniikka muuttuu.

Sideaineen hiilettämiseksi ja yksittäisten rakeiden sitomiseksi monoliittiseksi materiaaliksi työkappaleet poltetaan monikammioisissa kaasuuuneissa 800–1200 °C:n lämpötilassa. Polttojakson (lämmitys ja jäähdytys) kesto on 3-5 viikkoa aihioiden koosta ja tiheydestä riippuen. Grafitointi - viimeinen lämpökäsittely - muuttaa hiilimateriaalin grafiitiksi. Grafitointi suoritetaan Acheson-vastusuuneissa tai Kastner-suorakuumennusuuneissa 2400-3000 °C:n lämpötiloissa. Hiilipitoisia öljyvalmisteita grafitoitaessa tapahtuu hiilikiteiden laajentumisprosessi. Hienokiteisestä "amorfisesta" hiilestä saadaan karkearakeinen grafiitti, jonka atomihila ei eroa luonnollisen grafiitin atomihilasta.

Jotkut muutokset keinotekoisen grafiitin valmistusprosessissa riippuvat lopullisen materiaalin vaadituista ominaisuuksista. Siten tiheämmän materiaalin saamiseksi hiiliaihiot kyllästetään (polton jälkeen) autoklaaveissa yhden tai useamman kerran pihalla, minkä jälkeen poltetaan jokaisen kyllästyksen jälkeen ja grafitoidaan koko teknologisen prosessin lopussa. Erittäin puhtaiden materiaalien saamiseksi grafitointi suoritetaan samanaikaisesti kaasunpuhdistuksen kanssa klooriatmosfäärissä.

Grafiitin käsittely komposiittimateriaalien saamiseksi

Kitkanestohiilimateriaaleja valmistetaan seuraavissa laatuluokissa: poltettu AO-luokan kitkanestomateriaali, AG-luokan grafitoitunut kitkanestomateriaali, babbitilla kyllästetyt kitkanestomateriaalit , tina- ja lyijylaadut AO-1500B83, AO 1500SO5, AG-1500B83, AG-1500 , Nigran, Himanit ja grafiitti-muovimateriaalien tuotemerkit AFGM, AFG-80VS, 7V-2A, KV, KM, AMS.

Kitkaa vähentävät hiilimateriaalit valmistetaan kalsinoimattomasta maaöljykoksista, kivihiilitervapikestä, johon on lisätty luonnongrafiittia. Tiheän läpäisemättömän kitkanestomateriaalin saamiseksi se kyllästetään metalleilla. Tätä menetelmää käytetään AG-1500 83, AG-1500SO5 AMG-600B83, AMG-600SO5 ja vastaavien kitkamateriaalien saamiseksi. Sallittu käyttölämpötila ilmassa ja happea sisältävissä kaasumaisissa väliaineissa AO:lle on 250–300 °C, AG:lle 300 °C (pelkistävässä ja neutraalissa väliaineessa 1500 ja 2500 °C). Hiilikitkamateriaalit kestävät kemiallisesti monia aggressiivisia kaasuja ja nestemäisiä aineita. Ne ovat stabiileja lähes kaikissa hapoissa (hapon kiehumispisteeseen asti), suolaliuoksissa, kaikissa orgaanisissa liuottimissa ja rajoitetusti emästen väkevöissä.

Grafiitti kultapitoisena raaka-aineena

Ionimassaspektrometrialla löydetyn kullan pitoisuus on jopa kymmeniä kertoja suurempi kuin aiemmin kemiallisella analyysillä havaittu kultapitoisuus. Venäläisten tutkijoiden tutkimissa grafiittinäytteissä kultapitoisuus oli jopa 17,8 g / t - tämä on rikkaiden kultakaivosten taso. Grafiittimalmeista kullan louhinnan näkymistä todistaa se, että tämän tyyppiset grafiittiesiintymät (myöhäinen esikambrian varhainen paleotsoinen aika) ovat yleisiä sekä Venäjällä että maailmassa. Ne ovat Euroopassa , Yhdysvalloissa , Australiassa , Afrikassa  - itse asiassa on helpompi luetella missä niitä ei ole. Samaan aikaan melkein kaikki niistä on aikoinaan kehitetty, ja nykyään ne sijaitsevat hyvin asutuilla alueilla, joilla on kehittynyt infrastruktuuri, mukaan lukien teollisuus. Näin ollen kullan ja muiden jalometallien louhinnan käynnistämiseksi niissä ei tarvitse aloittaa rakennustyömaa tyhjästä, ei tarvitse kamppailla napatundran tai aavikon ankarien olosuhteiden kanssa . Tämä helpottaa, nopeuttaa ja mikä tärkeintä, alentaa tuotantokustannuksia [9] .

Sovellus

Grafiitin käyttö perustuu useisiin sen ainutlaatuisiin ominaisuuksiin.

• sulatusupokkaiden, vuorauslevyjen valmistukseen - sovellus perustuu grafiitin korkean lämpötilan kestävyyteen (hapen puuttuessa), sen kemialliseen kestävyyteen useille sulaille metalleille.
• elektrodit , lämmityselementit - korkean sähkönjohtavuuden ja kemiallisen kestävyyden vuoksi melkein kaikille aggressiivisille vesiliuoksille (paljon korkeampi kuin jalometallien).
• Reaktiivisten metallien saamiseksi sulaiden yhdisteiden elektrolyysillä. Erityisesti alumiinia hankittaessa käytetään kahta grafiitin ominaisuutta kerralla:

1. Hyvä sähkönjohtavuus ja seurauksena - sen soveltuvuus elektrodin valmistukseen
2. Elektrodilla tapahtuvan reaktion kaasumainen tuote on hiilidioksidi . Tuotteen kaasumainen luonne tarkoittaa, että se poistuu elektrolysaattorista itsestään eikä vaadi erityistoimenpiteitä sen poistamiseksi reaktioalueelta. Tämä ominaisuus yksinkertaistaa huomattavasti alumiinin valmistustekniikkaa .

• kiinteät voiteluaineet yhdistetyissä nestemäisissä ja tahnavoiteluaineissa .
• muovinen täyteaine .
• neutronien hidastin ydinreaktoreissa . _
• koostumuksen komponentti mustien grafiittikynien ytimien valmistukseen ( sekoitettu kaoliiniin ).
• synteettisten timanttien saamiseksi .
• nanometrin pituusstandardina pyyhkäisytunnelimikroskoopin ja atomivoimamikroskoopin skannerien kalibroinnissa [10] [11] .
• kontaktiharjojen ja virrankeräinten valmistukseen erilaisiin sähkökoneisiin , sähköajoneuvoihin ja vaunukäyttöisiin siltanostureisiin , tehokkaisiin reostaatteihin sekä muihin laitteisiin, jotka vaativat luotettavan liikkuvan sähkökoskettimen.
• ballististen ohjusten taistelukärkien ja palaavien avaruusalusten kärjen lämpösuojaimien valmistukseen .
• korkean resistanssin johtavien liimojen johtavana komponenttina .

Muistiinpanot

1. ↑ Boardman, John. Cambridgen muinainen historia . — Voi. 3. - s. 31-32. — ISBN 0521224969 . Arkistoitu kopio (linkki ei saatavilla) . Haettu 16. kesäkuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 24. joulukuuta 2013. (määrätön) 
2. ↑ Hiili - artikkeli tietosanakirjasta "Maailman ympäri"
3. ↑ Grafiitti. Viitemateriaali . Käyttöpäivä: 7. heinäkuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 28. joulukuuta 2011. (määrätön)
4. ↑ Malik V. R., Efimovich L. P. Timantin ja grafiitin termodynaamiset funktiot lämpötila-alueella 300÷3000 K.//Superkovat materiaalit, 1983, nro 3, s. 27-30.
5. ↑ Hove JE Joitakin grafiitin fysikaalisia ominaisuuksia, joihin korkea lämpötila ja säteilytys vaikuttavat.//in: Proc.First SCI Conf. on Industrial Carbons and Graphites (Soc. Chem. Ind., London., 1958, s. 501-507)
6. ↑ Rasor NS, Mc Clelland JDJ //J.Phys.Chem.Solids, 1960, v.15, nro 1-2, s. 17-20
7. ↑ Sheindlin A.E. , Belevich I.S., Kozhevnikov I.G. "Grafiitin entalpia ja lämpökapasiteetti lämpötila-alueella 273-3650 K". Korkeiden lämpötilojen lämpöfysiikka . 1972. V. 10. Nro 5. S. 997-1001
8. ↑ Andreev V.D. Valitut teoreettisen fysiikan ongelmat . - Kiova: Outpost-Prim,. – 2012.
9. ↑ Nanokulta meille: venäläiset tutkijat ovat löytäneet uudentyyppisiä kultaesiintymiä | Nanoteknologia Nanonewsnet . www.nanonewsnet.ru Haettu 1. joulukuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 8. joulukuuta 2015. (määrätön)
10. ↑ R.V. Lapshin. Tunnelimikroskooppiskannerien automaattinen lateraalikalibrointi  (italia)  // Katsaus tieteellisiin instrumentteihin : päiväkirja. - USA: AIP, 1998. - V. 69 , n. 9 . - P. 3268-3276 . — ISSN 0034-6748 . - doi : 10.1063/1.1149091 .
11. ↑ R.V. Lapshin. Mikroskoopin anturiskannerin ajautuma-herkkä hajautettu kalibrointi nanometrialueella: Real mode  //  Applied Surface Science : Journal. — Alankomaat: Elsevier BV, 2019. — Voi. 470 . - s. 1122-1129 . — ISSN 0169-4332 . - doi : 10.1016/j.apsusc.2018.10.149 .

Kirjallisuus

• Grafiitti / R. V. Lobzova // Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja  : [30 nidettä]  / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M .  : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.
• Yakovlev V. A. Grafiitti // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : 86 osassa (82 osaa ja 4 lisäosaa). - Pietari. , 1890-1907.
• Klein, Cornelis ja Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual of Mineralogy: Danan jälkeen, 20. painos. ISBN 0-471-80580-7
• Betekhtin A.G. Hiiliryhmä // Mineralogian kurssi: oppikirja . - M. : KDU, 2007. - S. 185. - 721 s.
• Veselovsky V. S. Grafiitti. - 2. painos - M . : Metallurgy, 1960. - 180 s.

Linkit

• Venäläiset tutkijat ovat löytäneet uudentyyppisiä kultaesiintymiä . Arkistokopio 30. kesäkuuta 2011 Wayback Machinesta
• grafiittimineraalista _ _ _ _
• The Graphite Page arkistoitu 9. joulukuuta 2013 Wayback Machinessa 
• Mineraaligalleriat  (englanniksi)
• Grafiitti webmineral.com-tietokannassa Arkistoitu 27. joulukuuta 2017 Wayback Machinessa 
• Mindat w/ locations Arkistoitu 17. tammikuuta 2008 Wayback Machinessa 
•  Keinotekoisen grafiitin valmistus

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Suuri katalaani iso kiinalainen Hienoa norjalaista Iso venäläinen Brockhaus ja Efron kanadalainen Pieni Brockhaus ja Efron Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa BNE : XX531308 BNF : 12152787z GND : 4158067-9 J9U : 987007538430005171 LCCN : sh85056487 NDL : 00566328 NKC : ph120599

Mineraaliluokka : Alkuperäiset alkuaineet ( IMA-luokitus , Mills et al., 2009 )
Rauta-nikkeli ryhmä	Rauta Nikkeli
kultainen ryhmä	Kulta Kupari Hopea
arseeniryhmä	Vismutti Arseeni Antimoni
platina ryhmä	Platina
rikin polymorfien ryhmä	Rikki
hiilipolymorfien ryhmä	Timantti Grafiitti Lonsdaleite Chaoite fulleriitti
muu	Merkurius
Luettelo mineraaleista Portaali "Mineralogia" Projekti "Geologia"