Графит: температура плавления, свойства и применение

Графит относится к минералам, которые отличаются многофункциональностью в практическом использовании. Обычно принято ассоциировать его с красящими веществами, но этим его возможности не ограничиваются. В то же время нельзя говорить об универсальности использования данного материала, поскольку его слоистая структура также обуславливает и рамки применения. И это не говоря о необходимости создания особых условий обработки. Дело в том, что температура плавления графита в градусах Цельсия может достигать 2800 °C, что требует задействования специальных мощностей для изготовления конечной продукции.

Характеристики графита

Графит является представителем класса самородных элементов высокой прочности. Его структура обладает большим количеством слоев.
В природе встречается два вида графита:

• крупнокристаллический,
• мелкокристаллический.

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

• явнокристаллические,
• скрытокристаллические.

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.

Основные свойства природного графита

Графиты — вещества серого цвета с металлическим блеском, аморфного, кристаллического, или волокнистого сложения, жирные на ощупь, удельный вес от 1,9 до 2,6. По внешнему виду графит, имеет металлический свинцово-серый цвет, колеблющейся от серебристого до черного, с характерным жирным блеском. Поэтому потребители зачастую называют явнокристаллические графиты серебристыми, а скрытокристаллические — черными.

На ощупь графит жирен и отлично пачкается. На поверхностях он легко дает черту от серебристого до черной, блестящей. Графит отличается способностью прилипать к твердым поверхностям, что позволяет создавать тонкие пленки при натирании им поверхностей твердых тел.

Графит представляет собой алоторопную форму углерода, которая характеризуется определенной кристаллической структурой, имеющей своеобразное строение.

В зависимости от структурного строения графиты делятся на:

• явнокристаллические,
• скрытокристаллические,
• графитоиды,
• высокодисперсные графитовые материалы, обычно называемые углями. В свою очередь, явнокристаллические графиты по величине и структуре кристаллов делятся на:
• плотнокристаллические (Боготольское месторождение графита),
• чешуйчатые (Тайгинское месторождение графита).

В чешуйчатых графитах кристаллы имеют форму пластинок или листочков. Чешуйки их жирные, пластичные и имеют металлический блеск.

Графит

Главная / Кейсы / Графит

Практическое значение:

Графит используется очень широко. Можно сказать, что нет ни одной отрасли, где бы он в той или иной степени ни применялся. Необходим графит главным образом в металлургической промышленности для изготовления огнеупорных тиглей и для покрытия поверхности литейных форм с целью предохранения отливки от пригара формовочной земли; кроме того, в электропромышленности — в производстве электродов и дуговых углей, в производстве карандашей, черных красок, черной копировальной бумаги, типографской краски или же китайской туши. Используется также как смазочное вещество (в тех случаях, когда вследствие высокого нагрева нельзя применять масла) и в паровых котлах в качестве антинакипного средства. В последнее время применяется для изготовления графитовых блоков «атомных котлов» и изготовления космической техники. Из графита получают искусственный алмаз. Графитовая жидкость применяется при объемном прессовании детален автомобилей. Штампы, обволакиваемые этим веществом, обеспечивают высокую чистоту поверхности стальных заготовок, что исключает их последующую обтирку на шлифовальных станках.

Свойства:

Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного твёрже, и становится очень хрупким. Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. 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).

Теплопроводность графита от 100 до 354,7 Вт/(м*К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры.

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном — в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300—1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

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.

Теплоёмкость графита в диапазоне температур 300÷3000К хорошо согласуется с дебаевской моделью. В высокотемпературной области после Т>3500K наблюдается аномальное поведение теплоёмкости графита аналогично алмазу: экспериментальные данные по теплоёмкости резко отклоняются вверх от нормальной (дебаевской) кривой и аппроксимируются экспоненциальной функцией, что обуславливается больцмановской компонентой поглощения тепла кристаллической решеткой.

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.

Гранулометрический анализ:

Фотографии под микроскопом:

МОРФОЛОГИЯ

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:

1. не растворяется в кислоте.
2. плавление графита при температурах меньше 3800 градусов Цельсия невозможно.
3. после нагревания приобретает твердую и хрупкую структуру.

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

Графиту присущи следующие характеристики:

• температура плавления графита составляет 3890 градусов Цельсия,
• цвет графита является темно-серым с металлическим отливом,
• теплоемкость графита составляет 0.720 кДЖ
• удельное сопротивление графита составляет 800.000 · 10 − 8 (Ом · Метр).

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.

Справочный материал

Характеристики графита

Электропроводность

Графит обладает хорошей электропроводностью. При повышении температуры электропроводность увеличивается. В связи с этим температурный коэффициент сопротивления графита, в отличие от металлов, для графита отрицателен.

Удельное Электрическое Сопротивление

УЭС-физическая величина, характеризующая способность вещества препятствовать прохождению электрического тока. Чем выше плотность графита, тем ниже УЭС. Единица Измерения: Ом*м

Теплопроводность

Теплопроводность у графита выше, чем у многих металлов, и уменьшается по мере повышения температуры. Теплопроводность графита зависит от конечной температуры обработки. Единица Измерения: Вт/(м*К)

Термостойкость

Графит не плавится, а сублимирует при температуре ~3900°К и выдерживает резкие перепады температур.

Смачиваемость

Графит не смачивается большинством расплавленных металлов и расплавленным стеклом.

Окисляемость

В присутствии избытка воздуха графит начинает окисляться при температуре 750°К. Графит не растворяется в растворителях органического и неорганического происхождения, не взаимодействует со многими кислотами, растворами щелочей и солей.

Механическая прочность

Прочность графита при растяжении, сжатии и изгибе повышается при повышении температуры до 2700°С, и только после этого начинает снижаться.

Применение алмаза и графита

Оба эти вещества используются человеком как в промышленности, так и в быту. Характерные свойства обуславливают область применения.

Различают ювелирные и технические алмазы. В ювелирном деле используется не более 22% самоцветов. Для этого отбирают лучшие, как правило, природные камни. Их гранят, учитывая структуру. Из полученных бриллиантов создают всевозможные украшения. Синтетические камни тоже используют. Изделия из них выглядят красиво, но есть отличия. Наличие мельчайших вкраплений, оттенок граней и влияние магнита выдадут искусственный бриллиант.

В технических изделиях используют второсортный материал. В справедливое дело идут целые кристаллы, осколки и даже «пыль» от шлифовки минерала. На подшипники, наконечники буров, сверла отбирают алмазы соответствующего вида и размера. Необработанные кристаллы с острой верхушкой применяются в электронике. Мелкие, с дефектами экземпляры и осколки измельчают в алмазный порошок. Крошка напыляется на кромки и плоскости режущих и точильных дисков, шлифовальных кругов.

Есть утверждение, что при бурении скважин в плотных породах применение алмазной коронки дает экономию времени, ресурсов и снижает общие затраты. Инструменты с алмазным напылением предназначены для шлифовки поверхностей. С давних пор алмаз применяется для резки стекла, металла и других материалов. Часовая промышленность не обходится без этих камней. Более тысячи промышленных товаров содержат различные виды самоцветов.

Сфера применения графита также обширна. В быту минерал используют при изготовлении грифелей для карандашей. Графит – основа твердых смазочных материалов и входит в состав пластмасс, красок, электропроводящих клеев. В электрических машинах присутствует в щетках, токосъемниках, реостатах и везде, где нужен подвижный электроконтакт. В металлургии при выплавке стали и алюминия применяют необработанный графит и сажу.

В ядерной энергетике графитовые стержни, замедляющие нейтроны в ядерных реакторах, – важнейший элемент реактора. В военных и космических целях применяется для защиты корпуса ракеты от перегрева.

Применение графита

Свойства графита, как уже отмечалось, позволили ему найти широкое применение в самых разных сферах. Его используют в изготовлении электродов, карандашей, защитных средств, эталонных измерительных материалов и даже в качестве смазочного вещества. Термические качества минерала определили его полезность в составе печных сооружений. К примеру, из графита делают футеровочные плиты и плавильные тигли. Но и здесь многое зависит от конкретной разновидности, в которой представлен графит. Температура плавления некоторых видов материала, составляющая 2600 °C, например, не позволяет применять их в промышленных камерах термической обработки. Зато электрохимические качества позволяют использовать большинство изделий из графита в качестве элементов проводниковой инфраструктуры.

Производство искусственного графита

Графит и его свойства – это не единственное, что вам следует знать, если вас заинтересовал этот минерал. Важно поинтересоваться еще и производством искусственной разновидности. Она отличается от натурального материала тем, что при синтезе получается вещество с заданными параметрами.

В производство идут отходы нефтяного кокса и каменноугольного песка. Смесь мелкофракционных элементов обжигается, а после охлаждается около 5 недель. Воздействие температуры на первом этапе сопровождается ее повышением до 1200 °C.

Для увеличения теоретической плотности графита заготовки пропитываются песком. На заключительном этапе происходит графитация, она предусматривает термическую обработку материала в специальной печи, где температура достигает 3000 °C. При этом удается сформировать кристаллическую решетку.

Такой графит имеет высокую теплопроводность и отличную электропроводность. Анизотропность свойств присуща минералу, полученному методом экструзии. Сегодня используется и более новая технология, которая называется изостатическим прессованием. Это позволяет изготовить материал, у которого низкий коэффициент трения. Он обладает изотропными свойствами.

Плотность графита (г/см3), который получается в процессе экструзии, достигает 2,23. Этот же показатель для изостатической рекристаллизованной разновидности в зависимости от марки может достигать 5 г/см3. Такой материал идет на изготовление крупногабаритных заготовок, длина и диаметр которых составляют 1000 и 500 мм соответственно, а также для производства литейных деталей и форм, которые обладают антифрикционными свойствами.

Требование промышленности к качеству товарного графита

Руды содержащие кристаллический графит относятся к промышленным при его наличии в 2,3–2,4%. Многие обогатительные фабрики способны перерабатывать руды содержащие и меньшее его количество. Само малое содержание кристаллического графита в руде не оказывает влияние на процесс обогащения, лишь только уменьшается выход концентрата и снижается экономическая целесообразность переработки.

Руды содержащие скрытокристаллический (аморфный) графит не поддаются обогащению. Процесс переработки таких руд состоит из сушки, измельчения и разделению по крупности (классификации). Поэтому целесообразность переработки таких руд зависит от среднего содержания графита

Графитовые руды подразделяются в соответствии со структурными разновидностями графита. Поэтому различают три типа руд:

• руды содержащие чешуйчатый графит,
• руды плотнокристаллических графитов,
• метаморфизованные угли, содержащие скрытокристаллические графиты.

Руды чешуйчатых графитов.

Руды чешуйчатых графитов содержат от 2 до 15%, иногда до 25% графита, легко обогащаются. Чешуйчатые графитовые руды образуют пластовые залежи и линзы значительных размеров. Образуются из осадочных пород, первоначально содержащих органические вещества. Эти вещества преобразуются в углерод и затем кристаллизуются в графит. В результате вторичных изменений происходит прорастание графитовых чешуек кальцитом и каолинитом.

Известные месторождения находятся в Китае, на Мадагаскаре, в Зимбабве, Бразилии, Чехии, Украине, США, есть они и в России. Графит этих месторождений встречается в чешуйках, в которых он может переслаиваться с пластинками слюды.

Большая техническая ценность крупночешуйчатых графитов, относительно легкая добыча содержащей графит руды, значительные размеры месторождений, позволяющие применять механизированную добычу позволяют строить мощные обогатительные фабрики.

Другим источником чешуйчатого графита являются месторождения в зонах контакта известняков с магматическими горными породами из глубин земной коры. В результате известняки превращаются в графитовые скарны.

Крупночешуйчатый графит образует среди скарнов жилы неправильной формы, и могут достигать размеров в длину 120 м и мощности 12 м. Месторождения этого типа дают высокое техническое качество графита и относятся к важным объектам промышленной разработки. К сожалению, в природе они встречаются редко.

Руды плотнокристаллических графитов.

Плотнокристаллические графиты образуются в месторождениях относящихся к магматическому и пневматолитическому генетическому типу.

Магматические месторождения находятся среди глубинных, жильных и эффузивных извержений. Графит месторождений этого типа образуется как продукт кристаллизации из газообразных составляющих магмы. Графит образует скопления в форме штоков, гнезд и жил, или встречается в рассеянном виде, при этом его концентрация может достигать 60–85%.

Месторождений этого типа известно немного и размеры их для промышленной разработки все-таки невелики.

Графитовые рудные тела пневматолитических месторождений имеют форму типичных жил, которые, образуются заполнением открытых трещин графитом и сопутствующими ему минералами, кристаллизующимися из проникавших по этим трещинам газов.

Метаморфизованные угли.

Так же графит образуется как результат метаморфизма углей. Как известно в результате процессов метаморфизма в ископаемых углях происходит изменение внутреннего строения, химического состава и физических свойств под действием температуры и давления

Простыми словами в результате изменения химического состава в углях возрастает процент содержания углерода и уменьшается содержание водорода и кислорода. В зависимости от степени этих изменений природа выдает на гора уголь от антрацита до типичного скрытокристаллического графита.

При низкой степени метаморфизма иногда в одном и том же месторождении одновременно встречаются графит и антрацит.

Такова вкратце общая картина по графиту. Далее мы поговорим о процессах обогащения графитовых руд.

Температура плавления

Спектр температур, при которых можно получить плавление графита, весьма разнообразен. Многое зависит, к примеру, от конечных задач данной операции. Диапазон температур определяют также и внешние условия, и характеристики состава конкретного минерала, и применение в ходе термической обработки дополнительных средств воздействия на графит. Температура плавления, при которой возможно получение готового для применения графита, варьируется от 2600 до 3800 °С. Также практикуется расчет по шкале Кельвина. В данном случае она достигает уже 4000° К, но и это значение может повышаться в зависимости от показателя давления. Обычно плавление графита производится под давлением 105 – 130 Бар.

Технологии получения

Практически все изделия из графита перед конечным использованием подвергаются операциям переработки. Способ получения определяет и разновидность графитового материала. Как правило, разница в методах обуславливается как раз температурным воздействием. Так, посредством нагрева смеси пека и кокса получают ачесоновский графит. Температура плавления и кипения в этом случае будет составлять 2800 и 4200 °C соответственно. Термомеханическая методика обработки коксовой смеси предусматривает воздействие с теми же показателями нагрева – разница заключается лишь в применении карбидообразующих компонентов. Низкими показателями температурной обработки отличается пиролизный метод. В этом случае природный графит модифицируется из газообразных углеводородов в вакууме при 1500 °C. При этом распространены и охлаждающие методы переработки базовых смесей для получения графита. К таким технологиям относится доменная, в процессе которой происходит медленное охлаждение чугунных масс.

Применение в пищевой промышленности

Представленное вещество также широко применяется в пищевой промышленности. Для этого при производстве оно подвергается определенной обработке. Плотность железа, этилового спирта, графита и сахара, по понятным причинам, различна. Но представленный материал может как содержать в себе, так и входить в состав некоторых веществ. Он находится в парафинах, эфирах, спирте и даже в сахаре.

В этом можно убедиться, если провести несложный опыт. Сначала нужно взять кусочек сахара. Его кладут на твердую крышку и накрывают колпачком (можно наперстком). Затем металл, которым накрыт сахар, сильно нагревают. Из-под наперстка со временем станет выделяться едкий дым. Если к нему поднести спичку, газ станет гореть.

Когда дым перестанет выделяться, можно снять наперсток. На крышке остается черная масса. Это уголь. Он представляет собой углерод, из которого и состоит графит.

Температура кипения

Потребность в термической обработке обуславливается тем, что предприятия стремятся модифицировать эксплуатационные качества материала с целью создания более эффективных изделий. Реже применяются методы доведения до кипения минерала, но и они позволяют улучшать определенные свойства структуры. Вопрос о том, какова температура плавления и температура кипения графита, нередко предполагает указание одинакового диапазона – от 3800 до 4200 °С. Нижний порог определяет состояние плавления, а верхний – кипение материала. Опять же в зависимости от характеристик графита и его разновидности условия термического воздействия в плане получения нужного состояния минерала – кипения или плавления — могут сходиться.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Структура

Рассматривая, какая плотность у графита, а также свойства и виды, необходимо уделить внимание его структуре. Это слоистое вещество. Его атомы углерода выстраиваются в кристаллическую решетку, похожую на соты. Шестиугольники в одном слое плотно прилегают друг к другу. Однако связь между каждым уровнем слаба. Именно эта особенность позволяет легко сломать графит.

По шкале Мооса твердость материала равна единице. Для сравнения, у алмаза этот показатель равен 10, а у керамогранита – 5. При температуре 1500°С, согласно исследованиям ученых, кристаллическая решетка графита может преобразовываться в алмаз.

В процессе промышленной обработки структура вещества меняется. Вместе с этим у разных марок графита определяются неодинаковые свойства. Если же доб?

АНИЗОТРОПИЯ СВОЙСТВ

Поскольку характеристики различных марок графита отличаются, на них влияет способ прессования, для искусственных видов – ориентация коксовых зерен.

Графит достаточно пластичен, легко поддается механической обработке. Разные виды отличаются по уровню жирности, благодаря чему используется в качестве смазки. Необходимо отметить и еще одну особенность чистых видов этого материала: графит отличается наиболее высоким коэффициентом замедления и низким показателем поглощения нейтронов.