Grafiitti: teollinen musta kulta, jolla on omaleimainen persoonallisuus

Luonnongrafiitti on ei--metallinen mineraali, joka koostuu hiilielementeistä. Se on seurausta sedimentaation ja metamorfian yhteisvaikutuksista geologisen historian aikana. Sen muodostumisprosessi koostuu pääasiassa kahdesta vaiheesta: hiili-rikkaan sedimentin kertymisvaiheesta ja metamorfisesta mineralisaatiovaiheesta. Edellinen tarjoaa rikkaan hiilen lähteen grafiitin muodostumiselle, kun taas jälkimmäinen viimeistelee muutoksen hiilestä grafiitiksi.

Luonnongrafiitti muodostuu luonnossa olevista hiiliaineista. Hiiliaineiden lähteet voidaan jakaa pääasiassa orgaaniseen ja epäorgaaniseen hiileen. Niistä hallitsee orgaaninen hiili, joka on peräisin pääasiassa alkuperäisen valtameren levistä ja mikrofossiileista sekä muista hiiltä sisältävistä jäämistä. Epäorgaanisen hiilen osuus on suhteellisen pienempi, ja se tulee enimmäkseen hiiltä sisältävistä epäorgaanisista aineista, kuten meriympäristössä muodostuneista karbonaattikivistä. Alkuperäinen orgaaninen hiili ja epäorgaaninen hiili kerääntyvät ja hautautuvat merenpohjaan muodostaen runsaasti hiiliaineita sisältäviä sedimenttikerroksia.

Riittävien sedimenttivarastojen jälkeen hiilipitoiset materiaalit tarvitsevat tietyt lämpötila- ja paineolosuhteet muuttuakseen grafiitiksi. Tämä muunnosprosessi tunnetaan myös grafitointiprosessina. Maan tektonisten laattojen liikkeen aikana valtameren hiili-rikkaat sedimenttikerrokset siirtyvät vähitellen maankuoren syvälle osalle. Suljetussa ympäristössä, jossa on korkea lämpötila ja paine, hajallaan olevat hiilipitoiset materiaalit voivat muodostaa nopeasti ja järjestyksessä grafiittiytimiä ja sitten hitaasti aggregoitua ja kasvaa muodostaen grafiittikiteitä. Niistä lämpötila ja paine ovat ensisijaiset olosuhteet hiilipitoisten materiaalien muuttumiselle grafiitiksi, ja kiteen kasvuaika on tärkeä tekijä grafitoitumisasteessa.

Luonnongrafiittia on laajalti levinnyt maailmanlaajuisesti ja sillä on runsaasti varantoja. Yhdysvaltain geologisen tutkimuskeskuksen julkaisema "2024 Mineral Commodity Summary" osoittaa, että vuoden 2022 lopussa maailmanlaajuisesti todistetut luonnongrafiittivarat olivat noin 280 miljoonaa tonnia. Kiinan varannot olivat noin 810 miljoonaa tonnia, mikä on noin neljännes maailman kokonaisvarannoista. Maailmanlaajuinen grafiitin tuotanto vuonna 2023 oli noin 1,6 miljoonaa tonnia ja Kiinan tuotanto noin 1,23 miljoonaa tonnia, mikä vastaa noin 77 % maailman kokonaistuotannosta, mikä tekee Kiinasta maailman johtavan grafiitin tuottajan.

Luonnongrafiitti on väriltään mustaa ja rakenteeltaan liukas. Kitemuodossaan olevien erojen mukaan se voidaan jakaa kiteiseen grafiittiin ja amorfiseen grafiittiin.

Kiteisellä grafiitilla on hyvä kidemuoto ja kiteet voidaan nähdä paljaalla silmällä. Se voidaan edelleen luokitella hiutalegrafiittiin ja lohkografiittiin. Kun yksittäiset grafiittikerrokset pinotaan järjestyksessä, ne muodostavat kala-suomua-kuin hiutalegrafiitti. Jos järjestely on epäsäännöllinen, muodostuu tiheää lohkografiittia.

Kryptokiteiset grafiittikiteet ovat erittäin pieniä ja muistuttavat maaperän{0}}kaltaisia ​​aineita. Niiden kidemuodot voidaan havaita selvästi vain elektronimikroskoopin avulla, joten niitä kutsutaan myös maaperäksi-kuten grafiitiksi.

Luonnongrafiitin kidemuoto liittyy läheisesti sen teolliseen arvoon. Yleisesti ottaen mitä parempi kiteytysaste, sitä paremmat laatuominaisuudet ovat. Siksi hiutalegrafiitilla on usein paremmat ominaisuudet ja käyttöarvo verrattuna muihin grafiittityyppeihin.

Mineraalien kiteisen muodon mukaisen luokituksen perusteella grafiittiesiintymät voidaan jakaa edelleen kolmeen tyyppiin: alueelliseen metamorfiseen tyyppiin, kosketusmetamorfiseen tyyppiin ja magmaattiseen hydrotermiseen tyyppiin perustuen geologiseen taustaan ​​ja grafiitin muodostumisolosuhteisiin.

Alueelliset metamorfiset grafiittiesiintymät muodostuvat enimmäkseen muinaisten hiiltä{0}} sisältävien sedimenttikerrostumien alueellisesta muodonmuutoksesta, joka johtuu tektonisista liikkeistä. Ne tuottavat usein suuria-kokoista ja korkealaatuista-hiutalegrafiittia. Vaikka malmilaatu on suhteellisen alhainen, näiden esiintymien mittakaava on suuri ja teollinen arvo on korkein.

Kosketusmuodossa oleva metamorfinen grafiittikerrostuma muodostuu, kun magma tunkeutuu kivihiiltä{0}}kantaviin kerroksiin ja hiilikerroksen hiili muuttuu. Se tunnetaan myös kivihiiltä sisältävänä-grafiittina. Grafiitin kiteytysaste on suhteellisen alhainen, ja se esiintyy mikrokiteisenä tai kryptokiteisenä. Malmilaatu on suhteellisen korkea, saavuttaen 60–90 prosenttia.

Magmahydrotermiset grafiittikerrostumat muodostuvat hiiltä{0}} sisältävien magmanesteiden jäähtymisestä ja kiteytymisestä. Ne ovat yleensä pienimuotoisia, niissä on epäsäännöllisiä mineraalikappaleita, merkittäviä vaihteluita grafiitin kiteytymisasteissa, ja useimmat ovat keski- tai hienojakoista hiutalegrafiittia. Malmilaatu on suhteellisen alhainen.

Luonnongrafiitin ainutlaatuinen rakenne antaa sille useita erinomaisia ​​ominaisuuksia ja laajentaa merkittävästi sen käyttöaluetta teollisuudessa.

Pehmeä rakenne:Grafiitilla on erinomainen korkean lämpötilan{0}}kestävyys. Sen sulamispiste on lähellä 4000 astetta ja sen kiehumispiste saavuttaa 4250 astetta. Grafiitti on atomikide, ja hiiliatomien väliset kovalenttiset yksinkertaiset sidokset ovat erittäin vahvoja kemiallisia sidoksia, joiden katkaiseminen vaatii erittäin paljon energiaa. Siksi grafiitin sulamispiste on erittäin korkea, ja se kokee minimaalisen painonhäviön jopa erittäin korkeissa lämpötiloissa. Siten teollisuuden aloilla, kuten metallurgiassa ja valussa, grafiittia voidaan käyttää magnesium-hiilitulenkestävien tiilien ja korkean{10}}lämpötilojen-kestävien grafiittiupokkaiden valmistukseen.

Kemikaaleja kestävä:Grafiitilla on erinomaiset korroosionesto--ominaisuudet. Se kestää erilaisten vahvojen happojen, vahvojen emästen ja orgaanisten liuosten eroosiota. Lisäksi grafiitilla on erittäin alhainen "affiniteetti" useimpiin kemiallisiin liuoksiin, eikä sen pinta ole altis hilseilylle. Sitä voidaan käyttää kemianteollisuudessa erittäin -puhtaiden korroosion-kestäviä laitteita, kuten kemikaaliputkia, reaktiosäiliöitä, polttotorneja ja niin edelleen.

Hyvä voitelevuus:Grafiitti on kiinteä voiteluaine, jolla on pitkä käyttöhistoria. Sen helposti liukuva kerrosrakenne antaa sille erinomaiset voiteluominaisuudet. Kun kaasut ja vesihöyry on adsorboituneet ilmaan, grafiittikerrosten välinen etäisyys kasvaa, mikä helpottaa liukumista ja parantaa edelleen sen voitelukykyä. Siksi grafiittia voidaan käyttää esimerkiksi mekaanisen valmistuksen kaltaisilla aloilla kiinteänä voiteluaineena muottien poistamiseen valukappaleista, tai se voidaan yhdistää muiden metallien kanssa öljyttömien voitelulaakereiden ja muiden kitkamateriaalien valmistamiseksi. Se on myös yleisesti käytetty voiteluaine jokapäiväisessä elämässä ratkaisemaan lukkoytimien ruosteongelmaa.

Sähkönjohtavuus:Grafiitti on yleisesti käytetty ei--metallinen johtava materiaali, joka liittyy grafiitin hiiliatomien elektronijärjestelyyn. Jokaisen hiiliatomin ulkokerroksessa on 4 elektronia. Grafiitin hunajakennomaisessa-kerrosrakenteessa jokainen hiiliatomi käyttää 3 elektronia yhdistyäkseen ympärillään oleviin kolmeen muuhun hiiliatomiin kovalenttisten sidosten muodostamiseksi. Siksi jokaisessa hiiliatomissa on ylimääräinen vapaa elektroni sähkön johtamiseen, mikä tekee grafiitista erinomaisen johtavuuden. Siten grafiittia käytetään laajalti sähköteollisuudessa, ja sitä käytetään yleisesti korkeatehoisten hehkulamppujen, hiilitankojen, harjojen jne. filamenttina tai elektrodeina pienissä elektrodihiiliputkissa, elohopeatasasuuntaajien positiivisissa elektrodeissa, hitsaushiilessä, puhelintarvikkeissa ja muissa komponenteissa.

Lisäksi grafiitin vakaat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet määräävät sen soveltuvuuden kemiallisen reaktiota hidastavana aineena ja hyvänä eristeenä. Tämä on mahdollistanut sen laajan käytön teollisuuden-huippualoilla, kuten ydinteollisuuden materiaaleissa ja ilmailulaitteiden komponenteissa. Neljännen -sukupolven korkean lämpötilan-kaasujäähdytteisissä-reaktoreissa, jotka ovat tällä hetkellä kaupallisessa käytössä Kiinassa, reaktorien hidastusaineena käytetään stabiilia grafiittia.

Erot kahden "teollisen mustan kullan" tyypin välillä

Luonnongrafiitti ja kivihiili ovat molemmat hiilielementeistä koostuvia aineita, ja molemmat tunnetaan "teollisena mustana kullana". Ne eroavat kuitenkin merkittävästi rakenteellisista ominaisuuksista ja muodostumissyistä, ja niillä on myös omat ainutlaatuiset etunsa teollisissa sovelluksissa.

Rakenteellisesti luonnongrafiitti ja kivihiili eroavat toisistaan ​​merkittävästi. Luonnongrafiitti on puhdas hiilialkuaineista koostuva mineraali, jonka hiiliatomit on järjestetty järjestyksessä kerrosrakenteeseen ja yhtenäinen kiderakenne. Kivihiili puolestaan ​​on sekoitus erilaisia ​​alkuaineita, kuten hiiltä, ​​vetyä ja happea. Hiiliatomit yhdistyvät muiden atomien kanssa muodostaen erilaisia ​​orgaanisia molekyylejä, jotka yhdistyvät satunnaisesti epäorgaanisten yhdisteiden kanssa, mikä johtaa monimutkaiseen ja epäjärjestyneeseen rakenteeseen. Siksi grafiitin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ovat paljon vakaampia kuin hiilen. Sen syttymispiste, sulamispiste ja lämmönjohtavuus ovat kaikki paljon korkeammat kuin hiilen. Tästä syystä vaikka molemmat sisältävät suuren määrän hiilielementtejä, hiiltä voidaan käyttää polttoaineena, kun taas grafiittia ei.

Syiden näkökulmasta, vaikka sekä luonnongrafiitti että kivihiili ovat muinaisten kasvijäänteiden sedimentoitumisen ja muodonmuutoksen tuotteita, grafiitin muodostuminen vaatii korkean-lämpötilan ja korkean-paineen metamorfoimia maankuoren syvässä osassa, jossa hiili voi muodostaa grafiittikiteitä. Hiilen tarvitsee vain sedimentoitua maankuoren matalassa osassa ruskohiilen muodostamiseksi, ja sen täytyy käydä läpi vähäinen muodonmuutos muodostaakseen bitumisista hiiltä ja antrasiittia. Jos lämpötila ja paine jatkavat nousuaan, voi myös tapahtua muuttumista hiilestä grafiitiksi. Esimerkiksi kosketusmuodostunut kivihiili{5}}tyyppinen grafiitti muodostuu, kun magma tunkeutuu antrasiittikerrokseen ja se käy läpi korkean lämpötilan muodonmuutoksen.

Teollisissa sovelluksissa luonnongrafiitti on aivan erilaista kuin kivihiili. Luonnongrafiittia käytetään pääasiassa teollisuuden raaka-aineena teollisuuskoneiden osien ja hiili{1}}pohjaisten materiaalien valmistukseen. Kivihiiltä sitä vastoin käytetään pääasiassa polttoon energian tuottamiseen ja orgaanisten yhdisteiden erottamiseen, kuten sähköntuotannossa, teräksen valmistuksessa sekä metanolin, raakaammoniakin ja niin edelleen tuotannossa.

Globaalin teollisen vallankumouksen uusi kierros on tuonut uusia mahdollisuuksia ja haasteita grafiitin tutkimukselle ja soveltamiselle. Teknologisen kehityksen ja teollisten päivitysten myötä grafiitin edistynyt käsittelytekniikka on jatkuvasti saavuttanut läpimurtoja, grafiitin ominaisuuksia on kehitetty ja hyödynnetty perusteellisesti, ja grafiittiteollisuus on alkanut kehittyä kohti korkean teknologian{1}}aloja. On syntynyt sarja uusia grafiittimateriaaleja, kuten joustava grafiitti, pallomainen grafiitti, grafeeni ja niin edelleen.

Joustava grafiitti valmistetaan nopeasti kuumentamalla ja paisuttamalla luonnonhiutalegrafiittia erityisellä kemiallisella käsittelyllä. Laajentuvan valmistusprosessin vuoksi sitä kutsutaan myös paisutetuksi grafiitiksi. Taipuisa grafiitti ei ainoastaan ​​peri luonnongrafiitin erinomaisia ​​ominaisuuksia, vaan myös laajentaa sen pehmeyttä, kimmoisuutta ja adsorptioominaisuuksia. Se voi toimia korkeissa lämpötiloissa, korkeissa paineissa tai säteilyolosuhteissa, ja sitä voidaan käyttää palonesto- ja tiivistysmateriaalina. Hydrofobisia ja oleofiilisiä ominaisuuksiaan hyödyntäen sitä voidaan käyttää adsorbenttina öljypohjaisten aineiden käsittelyyn, jota käytetään usein raakaöljyn vuotojen ja öljykenttien jäteveden käsittelyyn. se voi myös poistaa öljyliukoisia aineita, kuten torjunta-aineita ja joitain orgaanisia tai epäorgaanisia haitallisia komponentteja, tai sitä voidaan käyttää haitallisten aineiden poistamiseen teollisuuden pakokaasuista ja ajoneuvojen pakokaasuista.

Pallomainen grafiitti saadaan käyttämällä mekaanisia ja fysikaalisia menetelmiä luonnollisen hiutalegrafiitin pallomaiseksi tekemiseksi. Pallomainen muoto antaa sille erinomaisen sähkönjohtavuuden, lataus- ja purkauskapasiteetin sekä käyttöiän, joten se on suhteellisen ihanteellinen negatiivinen elektrodimateriaali litium-ioni-akuille. Litium-ioniakkujen käyttö elektronisissa tuotteissa, kuten tietokoneissa, viestinnässä ja viihteessä, on viime vuosina kasvanut nopeasti. Puhtaiden ja ympäristöystävällisten sähköajoneuvojen teollisuuden nopean laajentumisen myötä tehokkaiden-litium--ioniakkujen kysyntä on kasvanut jatkuvasti, mikä puolestaan ​​on johtanut pallografiitin kysyntään ja kehitykseen.

Kaikista tällä hetkellä saatavilla olevista uusista grafiittimateriaalityypeistä grafeeni on epäilemättä materiaalien "pimeä hevonen", joka laukaisee grafiitille uuden sovellusaallon ja edustaa todella uudenlaista tuotantovoimaa.

Grafeeni on yksikerroksinen-levy-kuin hiiliatomeista koostuva materiaali, joka tunnetaan myös yksikerroksisena grafiittina. Huolimatta erittäin ohuesta paksuudesta, sillä on erittäin suuri lujuus sekä erinomainen sähkönjohtavuus, lämmönjohtavuus ja muokattavuus, mikä tekee siitä erittäin arvostetun monilla aloilla, kuten fysiikassa, kemiassa, biologiassa ja energiassa. Hyödyntämällä grafeenin erinomaisia ​​ominaisuuksia voidaan valmistaa kehittyneitä teollisuus- ja elektroniikkatuotteita, kuten grafeenikomposiittikorroosionestopinnoitteita, lämpöä hajottavia kalvomateriaaleja, joustavia näyttölaitteita ja anturiantureita. Tulevaisuudessa grafeenilla on laajat mahdollisuudet biolääketieteessä, optiikassa, elektroniikassa ja ympäristössä, ja sen odotetaan saavan aikaan häiritsevän vallankumouksen puolijohdealalla, ja siitä tulee seuraavan -sukupolven piirien ja supertietokoneiden perusmateriaali.

Jatkuvan-syvällisen grafiittimateriaalien tutkimuksen yhteydessä innovatiivisempia ja tehokkaampia-grafiitti-pohjaisia ​​materiaaleja odotetaan tulevaisuudessa ilmaantuvan, ja niillä on merkittävä rooli teollisuuden kehityksen edistämisessä, energiatehokkuuden parantamisessa ja ympäristön suojelemisessa. Nykyiset tutkimukset osoittavat, että luonnongrafiitin laatu vaikuttaa suoraan siitä valmistettujen uusien materiaalien suorituskykyyn ja käyttöalueeseen. Mitä parempi luonnongrafiitin laatu ja puhtaus on, sitä suuremmat edut ovat uusien materiaalien valmistuksessa. Tulevaisuudessa uuden energian, uusien materiaalien, kansallisen puolustusteollisuuden ja ilmailun aloilla, jotka käyttävät huippuluokan grafiittimateriaaleja-, tulee olemaan suurempi kysyntä korkealaatuisille-grafiittiresursseille. Maailman suurimpana luonnongrafiitin rahastona ja tuottajana Kiinan tulisi jatkaa grafiitin etsintäponnistelujen syventämistä, käyttää useita menetelmiä syvällä olevien mineraalien kokonaisvaltaiseen etsimiseen ja korkealaatuisten resurssien kehittämiseen ja luottaa siihen, vahvistaa grafiittiresurssien kokonaisvaltaista kehitystä ja hyödyntämistä, tehostaa tutkimusta ja teknologista innovaatiokykyä, kehittää uusien resurssien etuja grafiittien kehityksessä. aloilla, mikä mahdollistaa jatkuvasti uusien tuotantovoimien kehittämisen.