что такое графит в материаловедении

Феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)
Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe₃C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
Мартенсит (сильно пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной терагональной решеткой)
Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

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)

Графи́т (от др.-греч. γράφω — пишу) — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический). Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто треугольная штриховка на плоскостях (0001).

Содержание

Свойства

Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1—2 по шкале Мооса). Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. В кислотах не растворяется. 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).

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.

Химические свойства

Со многими веществами (щелочными металлами, солями) образует соединения включения.

Реагирует при высокой температуре с воздухом, сгорая до углекислого газа. Фторированием в контролируемых условиях можно получить (CF)x.

Структура

Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода.

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.

Условия нахождения в природе

Сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. 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. С помощью ионной масс-спектрометрии российским учёным удалось обнаружить в составе графита золото, серебро и платиноиды (платина, палладий, иридий, осмий и проч.) в форме металлоорганических нанокластеров.

Искусственный синтез

Искусственный графит получают разными способами:

Переработка

Переработкой графита получают различные марки графита и изделия из них.

Товарные сорта графита получают обогащением графитовых руд. В зависимости от степени очистки графитовые концентраты классифицируют на промышленные марки по областям применения, каждая из которых выдвигает специфические требования к физико-химическим и технологическим свойствам графитов.

В свете последних открытий российских учёных появилась перспектива получения из графитовых руд золота и платиноидов.

Переработка графита в терморасширенный графит

На первом этапе исходный кристаллический графит окисляют. Окисление сводится к внедрению молекул и ионов серной или азотной кислоты в присутствии окислителя (перекись водорода, перманганат калия и др.) между слоями кристаллической решетки графита. Окисленный графит отмывают и сушат. Затем окисленный графит подвергают термообработке до Т=1000 °C со скоростью 400-600 °C/с. Благодаря чрезвычайно высокой скорости нагрева происходит резкое выделение газообразных продуктов разложения внедренной серной кислоты из кристаллической решетки графита. В результате межслойное расстояние увеличивается примерно в 300 раз, а число маленьких частиц графита и объём пробы увеличивается в 60-400 раз. В полученном материале остается некоторое количество оксидов серы или азота в зависимости от применяемой технологии. Далее полученный терморасширенный графит прокатывают, иногда армируют, добавляют присадки и прессуют для получения изделий.

Переработка графита для получения различных марок искусственного графита

Для производства искусственного графита используют в основном нефтяной кокс как наполнитель и каменноугольный пек как связующее. Для конструкционных марок графита в качестве добавок к наполнителю применяют природный графит и сажу. Взамен каменноугольного пека как связующего или пропитывающего вещества используют некоторые синтетические смолы, например, фурановые или фенольные.

Производство искусственного графита складывается из следующих основных технологических этапов:

Кокс дробят до величин кусков 30-40 мм, затем прокаливают в специальных прокалочных печах при 1300 °C. При прокаливании достигается термическая стабильность кокса, уменьшается содержание в нем летучих веществ, увеличиваются его плотность, электро — и теплопроводность. После прокаливания кокс размалывают до необходимой крупности. Порошки кокса дозируют и смешивают с пеком в смесильных машинах при 90-130 °C.

В смесильную машину вначале загружают сухие компоненты, а затем добавляют жидкий пек. После смешивания массу равномерно охлаждают до температуры прессования (80-100 °C). Заготовки прессуют или методом выдавливания массы через мундштук, или в пресс-форме. При прессовании холодных порошков изменяют технологию подготовки помола и смешения.

Для карбонизации связующего и скрепления отдельных зёрен в монолитный материал заготовки обжигают в многокамерных газовых печах при температуре 800—1200 °C. Продолжительность цикла обжига (нагрев и охлаждение) составляет 3-5 недель в зависимости от размера и плотности заготовок. Графитация — окончательная термическая обработка — превращает углеродный материал в графит. Графитацию проводят в печах сопротивления Ачесона или в печах прямого нагрева Кастнера при температурах 2400-3000 °C. При графитировании углеродистых нефтяных заготовок идет процесс укрупнения кристаллов углерода. Из мелкокристаллического «амфорного» углерода получается крупнокристаллический графит, атомная решетка которого ничем не отличается от атомной решетки природного графита.

Некоторые изменения технологического процесса получения искусственного графита зависят от требуемых свойств конечного материала. Так, для получения более плотного материала углеродные заготовки пропитывают (после обжига) в автоклавах один или несколько раз пеком с последующим обжигом после каждой пропитки и графитацией в конце всего технологического процесса. Для получения особо чистых материалов графитацию проводят одновременно с газовой очисткой в атмосфере хлора.

Переработка графита для получения композиционных материалов

Антифрикционные углеродные материалы изготавливают следующих марок: обожженный антифрикционный материал марки АО, графитированный антифрикционный материал марки АГ, антифрикционные материалы, пропитанные баббитом, оловом и свинцом марок АО-1500Б83, АО 1500СО5, АГ-1500Б83, АГ-1500СО5, Нигран, Химанит и графитопластовые материалы марок АФГМ, АФГ- 80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.

Антифрикционные углеродные материалы изготавливают из непрокаленного нефтяного кокса, каменноугольного пека с добавкой природного графита. Для получения плотного непроницаемого антифрикционного материала применяют пропитку его металлами. Таким методом получают антифрикционные материалы марок АГ-1500 83, АГ-1500СО5 АМГ-600Б83, АМГ-600СО5 и им подобные. Допустимая рабочая температура на воздухе и в газовых средах, содержащих кислород для АО — 250—300 °C, для АГ — 300 °C (в восстановительных и нейтральных средах 1500 и 2500 °C соответственно). Углеродные антифрикционные материалы химически стойки во многих агрессивных газовых и жидких средах. Они стойки почти во всех кислотах (до температуры кипения кислоты), в растворах солей, во всех органических растворителях и ограниченно стойки в концентрированных растворах едких щелочей.

Графит как золотосодержащее сырьё

Содержание найденного с помощью ионной масс-спектрометрии золота до десятков раз превышает содержание, выявляемое ранее при помощи химического анализа. В изученных российскими учёными пробах графита содержание золота было до 17,8 г/т – это уровень богатых золотых приисков. О перспективности добычи золота из графитовых руд говорит то, что графитовые месторождения данного типа (позднедокембрийского-раннепалеозойского возраста, если уж совсем точно) широко распространены и в России, и в мире. Они есть в Европе, США, Австралии, Африке – в сущности, легче перечислить где их нет. При этом практически все они когда-то разрабатывались, а сегодня находятся в хорошо обжитых местах. С развитой инфраструктурой, в том числе промышленной. Что это значит? Что для запуска добычи в них золота и других благородных металлов не нужно затевать стройку на пустом месте, не нужно бороться с суровыми условиями заполярной тундры или экваториальной пустыни. Это уже облегчает, ускоряет, а главное, удешевляет производство. [1]

Применение

Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

Интересные факты

Графит обладает высоким диамагнетизмом [2]

Источник

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.

Источник

Свойства графита

Слово графит в переводе с греческого обозначает «пишу». Минерал с таким названием у природе образуется при высокой температуре в вулканических горных породах.

Характеристики графита

Графит является представителем класса самородных элементов высокой прочности. Его структура обладает большим количеством слоев.

В природе встречается два вида графита:

По величине кристаллов и по их расположению относительно друг друга в природе встречаются следующие типы графитов:

У графита структура является достаточно слоистой. Каждый из слоев обладает волнистой формой. Она является слабовыраженной.

Графит представляет собой один из элементов, который состоит преимущественно из кристаллов разных размеров. Они имеют пластичную структуру и небольшие чешуйки по краям. По своей прочности они могут сравниться алмазами.

Кристаллическая решетка графита состоит из большого количества слоев, которые имеют различное расположение относительно друг друга.

Сегодня не редко производится искусственный графит, который создается из смеси различных веществ. Он используется в разных отраслях человеческой жизнедеятельности. Графит, полученный искусственным путем, обладает большим количеством видов.

В современном мире планируется из графита добывать золото. Ученые выяснили, что в одной тонне графита содержится примерно 18 граммов золота. Данное количество золотой руды присуще золотым месторождениям. В настоящее время получать золото из графита есть возможность не только в нашей стране, но и в других государствах мира.

Физические свойства графита

Одним из главных свойств графита является его способность проводить электрический ток. Его физические свойства отличаются от параметров алмаза тем, что у него не такой высокий уровень твердости. Его структура является изначально довольно мягкой. Однако после нагревания она становится твердой и хрупкой. Материал начинает рассыпаться.

Физические свойства графита являются следующими:

Это далеко не все свойства графита. Есть еще параметры, которые делают этот элемент уникальным.

Графиту присущи следующие характеристики:

Внимание: Единственный параметр из всех характеристик графита, который зависит от вида элемента, является теплопроводность графита. Она составляет 278,4 до 2435 Вт/(м*К).

Таблица. Физические свойства графита.

Добыча графита

Добыча графита является сложным процессом. Для этого создано большое количество разновидностей оборудования. Оно используется для добычи и дробления элемента. Залежи графита обычно находятся глубоко под землей. Именно по этой причине чаще всего используются бурильные установки, которые позволяют добраться до месторождения этого элемента.

Применение графита

Как известно такой материал, как графит обладает большим количеством уникальных качеств. Именно они обуславливают сферы его применения. Благодаря тому. что данный материал обладает устойчивостью к высоким температурам его применяют для производства футеровочных плит.

Применение графита используется и в сфере ядерной промышленности. Там он играет важную роль при замедлении нейтронов.

Получение алмаза из графита тоже возможно. В современном мире есть возможность получать синтетический алмаз, который по своим качествам и внешнему виду будет напоминать природный материал.

Пиролитический графит представляет собой особую форму такого элемента, как графит. Данная его разновидность нашла широкое применение в сфере микроскопических исследований. Его применяют в качестве калибровочного материала. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной микроскопии и в атомно-силовой микроскопии. Данная разновидность графита относится к разряду синтетических. Его получение возможно при нагревании кокса и пека.

Благодаря графиту можно получать активные металлы с химической точки зрения путем электролиза. Данный метод использования элемента объясняется тем, что у графита достаточно хорошая электропроводность.

При производстве пластмассовых изделий графит тоже нашел свое применение. Его используют для наполнения пластмассы.

Самым известным методом использования графита является производство стержней для обычных простых карандашей, к которым так привыкли люди.

Статьи по теме

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцементом называется искусственно полученное гидравлическое вещество, обладающее вяжущим эффектом.

Свойства полимеров

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифици­ровать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи.

Свойства фенола

Фенолы и их производные содержатся в древесине, торфе, буром и кам. углях, нефтяных остатках. В живой природе фенолы, гл. обр. в виде производных, присутствуют в клетках растений.

Вещества ускоряющие высыхание красок

Сиккативы — соединения свинца, кобальта, марганца и цинка, которые, будучи добавлены в высыхающие масла, ускоряют их высыхание.

Виды грунтовок

Грунтовка – это жидкий состав, предназначенный для предварительной обработки поверхностей перед их последующей отделкой.

Источник

• ← Цесариные яйца что это
• льняное масло для чего используют пищевое →