گرافیت چیست و چه کاربرد هایی دارد؟
گرافیت چیست؟
در فناوری مواد کربنی (طبق استاندارد ASTM C709)، گرافیت عبارت است از ماده ای شامل عنصر غالب کربن که با توجه به نتایج آنالیز XRD دارای نظم کریستالوگرافی سه بعدی با دامنۀ بلند باشد.
این ماده یکی از آلوتروپ‌های کربن است که ساختار لایه لایه دارد. این ساختار لایه لایه باعث می شود صفحات گرافیت به راحتی روی یکدیگر بلغزند. بنابراین از این ترکیب می توان برای روان کاری و روغن کاری استفاده کرد.
علاوه بر این، از این دگرشکل کربن در الکترودهای کوره، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ ها، فولادهای پر کربن، چدن ها و نوک مداد نیز استفاده می شود.
گرافیت بر خلاف الماس (دیگر آلوتروپ کربن) هادی جریان الکتریکی است. این ساختار، پایدارترین شکل کربن در شرایط استاندارد محیطی به شمار می رود.
خواص گرافیت
- ماد لایه لایه ساخت شده از حلقه کرین ۶ ضلعی
- بالاترین مقاومت طبیعی و سختی
- ضد زنگ و مقاوم در برابر حرارت
- روانکاری طبیعی بالا
- مقاومت حرارتی بالا تا ۴۵۰۰ درجه فارنهایت
- رسانای الکتریکی و حرارتی
- ثبات شمیمیایی
- بازدارنده تابش (اشعه)
- اصطکاک کم
- مقاومت فشاری بالا
ساختار ورقه ورقه ای
گرافيت از روی هم قرار گرفتن صفحاتی موازی به شکل لایه ای تشکیل شده است. در هر صفحه، اتم كربن با سه اتم ديگر پيوند كووالانسی تشکیل می دهد. این پیوندها سبب شکل گیری شبكه هگزاگونال پيوسته در ساختار گرافیت می شوند. از آن جا که این اتم ها با پیوند کوالانسی به هم متصل هستند، قادر نیستند با کربنی خارج از این لایه پیوند کوالانسی تشکیل دهند.
برای شکل گیری صفحات لایه ای، الكترون ظرفیتی چهارم، به صورت هيبريدی با الكترونی از صفحۀ مجاور كه موقعيت مشخصی ندارد، جفت می شود. این جفت شدگی باعث ایجاد پيوند ضعيف واندروالسی می شود. فاصلۀ میان لایه ها، بيش از دو برابر فاصلۀ اتم ها در درون لایه ها و دو برابر شعاع كربن واندروالس است.
معمولا گرافیتی که در صنعت استفاده می شود، یکی از حالت های زیر را دارد:
گرافیت آمورف (Amorphous Graphite)
مطمئنا برای شما سوال شده که با توجه به وجود نظم در ساختار ، چرا به آن آمورف می گویند؟ در این جا واژه آمورف به کوچک بودن اندازه های کریستال بر می گردد. در این نوع کریستال ها آن قدر کوچک هستند که قابل مشاهده نیستند.
آمورف برای محصولات سطح پایین نظیر مداد، لنت ترمز، روغن روان کار و مواد افزودنی لاستیکی به کار می رود و معمولا پایین ترین قیمت را میان گونه های مختلف دارد.
درجۀ خلوص نوع آمورف در حالت غیر تصفیه، در محدوده ۲۰ تا ۴۰ درصد cg است (cg=محتوای گرافیت) خلوص این نوع کربن پس از تصفیه به ۷۰ تا ۸۰ درصد cg می رسد. است.
بزرگترین ذخایر آمورف متعلق به چین، مکزیک و آمریکا است. آمورف رنگی تیره (نزدیک به مشکی) دارد.
گرافیت ورقه ای (Flake Graphite)
گرافیت فلیک ورقه ای دارای خلوص کربن ۸۵ تا ۹۵ درصد cg است. معمولا با اندازه دانۀ ۵ تا ۲۰ میکرون و مش بندی ۲۰۰ و ۳۲۵ عرضه می شوند. این ساختار خاکستری رنگ بوده و حالت کریستالی آن کاملا مشخص است.
به سبب کیفیت بهتر آن نسبت به نوع آمورف، از نوع ورقه ای در صنایع متالورژی به خصوص صنایع شکل دهی کاربرد گسترده ای دارد. همچنین از این نوع در رنگ سازی، ساخت لنت و مداد و… نیز استفاده می شود.
گرافیت ورقه ای در سنگ های دگرگون شده یا رسوبی و آهکی تشکیل می شود. معمولا قیمت نوع فلیک ۴ برابر نوع آمورف است.چین، برزیل و کانادا بزرگترین تولیدکنندگان این نوع هستند.
گرافیت وین (Vein Graphite)
نوع وین نادرترین و قیمتی ترین نوع از گرافیت طبیعی است. وین ها بالاترین کیفیت را میان انواع گرافیت داشته و درجۀ خلوص کربن بدون پالایش آن ها ۹۵ تا ۹۹ درصد است. وین درجه حرارت ذوب و هدایت الکتریکی بیشتری دارد. همچنین دارای بالاترین درجه از انسجام ساختاری در گرافیت های طبیعی است.
وین به آسانی قالب گیری می شود. این ویژگی به صرفه جویی در هزینه ها کمک می کند. در حال حاضر سریلانکا بهترین قلمروی تولید این نوع است. وین ها معمولا در تولید باتری های پیشرفته و صنایع الکتریکی کاربرد دارند.
گرافیت به چه روش هایی تولید می شود؟
استخراج طبیعی گرافیت ورقه ای
بیشتر گرافیتی که در سطح زمین دیده می شود، در مرز صفحات همگرای زمین، در معرض گرما و فشار تشکیل می شود. جالب است بدانید گرافیت ها موادی بد شانس هستند! چرا که اگر کمی فشار بیشتری روی آن ها وارد می شد، تبدیل به الماس می شدند!
زمانی که در ابعاد زیاد انباشته شود، می توان سنگ های آن را استخراج کرد. از خردایش این سنگ ها، ورقه های گرافیتی موجود در آن ها آزاد می شود. سپس از طریق فرایندهای شیمیایی مانند جداسازی بر اساس چگالی ویژه یا شناورسازی، می توان آن ها را پرعیار نمود.
کانی های ورقه ای بسیار نرم بوده و با کوچکترین فشاری می شکنند. اما به شکل عجیبی شدیدا در برابر حرارت مقاوم اند. گرافیت ها در تماس با مواد دیگر هیچگونه واکنشی نشان نمی دهند. به این دلیل بیشترین کاربرد این نوع در صنایع متالورژی و تولید سازه متمرکز شده است.
استخراج گرافیت آمورف
گرافیت آمورف، نوعی از گرافیت است که از دگرگونی رگه های باریک زغال سنگ تولید می شود. مواد اصلی ارگانیک موجود در زغال سنگ شامل کربن، اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد هستند. حرارت اعمال شده در فرایند دگرگونی، این مولکول های ارگانیک زغال سنگ را از بین می‌برد.
ماده ای که باقی می ماند کربن تقریباً خالصی است که به شکل معدنی متبلور می شود. در رگه های باریکی تشکیل می شود که به لایۀ اصلی زغال سنگ متصل هستند. این گرافیت ها را می توان با به کار گیری اسیدهای مختلفی پرعیار کرد. همان طور که ذکر کردیم، به دلیل کوچک بودن بلورهای این ماده، گرافیت بی شکل نام گرفته است.
تولید گرافیت به روش آچسون
در این فرایند سنگ آنتراسیت را به شکل پودر در آورده و به صورت کاملا فشرده شده در بوته های چینی می ریزند. بعد از آن، این بوته های چینی را در خلاء و در یک کوره الکتریکی تا دمای ۱۲۰۰ الی ۱۵۰۰ درجۀ سلسیوس حرارت می دهند. در نتیجۀ این عمل ۹۸ درصد آنتراسیت به گرافیت تبدیل می شود.
البته باید توجه شود که موفقیت این روش، تا حدود زیادی بستگی به امکان دستیابی به منبع ارزان تولید الکتریسیته دارد. از این رو این روش کاربرد گسترده ای در کشورهایی مثل کانادا دارد.
تولید گرافیت از قیر
در این روش ابتدا کک دانه بندی شده و سپس با قیر مذاب ترکیب می شود. این مخلوط پرس شده و در کوره ای با دمای ۱۲۰۰ درجۀ سلسیوس قرار داده می شود. بدیهی است که زمان پخت و سیکل آن، در خواص به دست آمده تاثیر خواهد داشت. در حین انجام فرایند پخت، می توان با افزودن موادی مانند رزین فنولیک، از کاهش چگالی ساختار جلوگیری کرد.
محصول فرایند پخت، در کوره ای با دمای ۲۴۰۰ تا ۳۰۰۰ درجۀ سلسیوس قرار می گیرد تا فرایند گرافیته شدن انجام شود. حتما باید توجه شود که دانه بندی کک اولیه، تأثیر مهمی بر خواص گرافیت تولید شده دارد. به شکلی که هر چه دانه بندی ریزتر باشد، خواص مکانیکی و الکتریکی محصول نهایی بهتر است. از طرف دیگر پخت آن مشکل تر و نیاز به زمان بیشتری دارد.
گرافیت موجود در آتش فشان ها و شهاب سنگ ها
مقادیر کمی از گرافیت به شکل ذراتی کوچکی در جریان های آتشفشانی بازالت و سینیت یافت می شود. همچنین در سنگ های پگماتیت نیز مقادیری از آن دیده می شود. برخی شهاب سنگ های آهنی نیز گرافیت در خود دارند که استخراج این نوع از لحاظ اقتصادی ارزشی ندارد.
از گرافیت در چه صنایعی استفاده می شود؟
صنایع رنگ و آستر
رنگدانه های گرافیت قدرت پوشانندگی بسیار خوبی دارند. ساختمان ورقه ای توأم با سطح ویژۀ خاص این مواد سبب شده که قدرت گسترش بالایی در سطوح داشته باشند. این رنگدانه ها زمانی که در رنگ به کار می روند، لایه های آن ها به موازات سطح قرار گرفته و با یکدیگر تداخل می کنند.
از این رو رنگ های گرافیتی در مقابل نفوذ آب بسیار مقاوم هستند. همچنین چسبندگی بالایی به فلزات دارد. بنابراین سبب افزایش چسبندگی رنگ به سطح می شود. این ماده در رنگ های تعمیراتی برای اسکلت های فولادی و همچنین آسترهای اولیه ضد خوردگی به کار می رود که در کاربرد دوم اغلب به صورت مخلوط با سرب قرمز استفاده می شود.
روان کاری و کاهش اصطکاک
این ماده خاصیت روان کنندگی بالایی دارد، از این رو سال هاست که به عنوان روان کار خشک، برای جلوگیری از اصطکاک در دستگا‌های صنعتی استفاده می شود. البته در کاربردهای روان کاری، معمولا این ماده در ترکیب با روغن استفاده می شود.
در بسیاری از کاربردها، روغن و کریستال های لایه لایۀ به تنهایی کافی نیستند. در این مواقع از افزودنی هایی مانند فلزات نرم (ایندیم، سرب، نقره،قلع)، پلی تترافلوئورواتیلن، بعضی از اکسیدهای جامد، فلوریدهای نادر زمین و حتی الماس به همراه گرافیت استفاده می شود. موارد استفاده از این روان کارها در فشرده سازی هوا، بلبرینگ، اتصالات سرعت ثابت، قفل ها و غیره است.
مغز مداد
شاید مهم ترین کاربرد گرافیت که بیشترین استفاده را در زندگی روزمره ما دارد، به کارگیری آن در مغز مداد است. این ماده در صورت اختلاط با خاک رس، ترکیبی به وجود می آورد که در مغز مداد وجود دارد. خاصیت روانی گرافیت و خشکی خاک رس وقتی ترکیب شوند، ماده ای پدید می آید که قابلیت اثر انداختن روی کاغذ را امکان پذیر می کند.
صنایع متالورژی و الکترونیک
صنایع فلزات برای تولید برنج، مس و مفرغ نیازمند بوته هایی نسوز هستند. برای فرایند تولید این مواد، غالبا از بوته های گرافیتی نسوز استفاده می شود. همچنین کاربرد الکترود های گرافیتی در صنایع ذوب، یکی از مشخص ترین نمودهای اهمیت آن در متالورژی است.
همچنین این ماده در باتری ها، دستگاه های الکترونیکی (مخصوصا دستگاه های تایپ الکتریکی) کاربردهای زیادی دارد. همچنین کاربرد این ماده در ساخت سیستم های مخابره ای، سیستم های سوییچینگ و سیستم‌های رادار بسیار گسترده است.
تسلیحات نظامی
زغال نرم که نام دیگر گرافیت است، در ساخت بمب های گرافیتی کاربرد دارد. این بمب ها وزنی معادل چهارصد و پنجاه کیلوگرم دارند و از لحاظ قیمتی بسیار ارزان و به صرفه هستند. البته، بمب های گرافیتی آسیب عمرانی نداشته و بیشتر برای از کار انداختن نیروگا‌ها و تاسیسات برقی استفاده می شوند.
در این کاربرد، گرافیت که از جنس کربن است، با حلال های کربن حل می شود. بنابراین روی تجهیزات نیروگاه ها نشسته و باعث اتصالی و از کار افتادن سیستم های برقی می شود.
ذخایر گرافیتی ایران
گرافیت جزو کانی هایی است که در ایران، بیشتر در محدودۀ سنندج- سیرجان دیده می شود. البته طبق نظر «بهروز برنا» معاون اکتشافات سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی، در ایران استان لرستان شرایط بهتری نسبت به دیگر مناطق کشور برای گرافیت زایی دارد.
البته اثراتی از این دگرشکل کربن در استان های خراسان رضوی و سیستان و بلوچستان نیز دیده شده است. طبق نظر برنا، با وجود این ذخایر هنوز منبع قابل قبول و مطمئنی برای تامین نیاز صنایع مصرف‌کننده داخلی در کشور نداریم.
برخی از تامین کنندگان گرافیت در سناماین👇
خرید و فروش گرافیت کم سولفور در سناماین
خرید و فروش گرافیت پولکی در سناماین
خرید و فروش گرافیت چرب در سناماین
