الفرق بين الجرافيت الطبيعي والجرافيت الاصطناعي: كيفية استخدام الجرافيت الطبيعي لتطوير منتجات الجرافيت الاصطناعية

يتكون الجرافيت من عنصر واحد من الكربون. ينتمي بنية بلورية إلى نظام سداسي ، ويشكل بنية سداسية طبقة. داخل الطبقات ، يتم ربط ذرات الكربون عن طريق السندات σ التي تشكلت بواسطة مدارات هجينة SP2 والسندات delocalized π التي تشكلت بواسطة مدارات PZ ، والتي تشكل شبكة سداسية قوية. التباعد الذري الكربون الكربون هو 1.42 Å. تحتوي ذرات الكربون على طاقات رابطة قوية للغاية (345 كيلو جول/مول) ، في حين أن ذرات الكربون مرتبطة ببعضها البعض بواسطة قوى فان دير فال الأضعف (طاقة الرابطة 16.7 كيلو جول/مول). تباعد الطبقة البينية هو 3.354 Å.

الجرافيت ناعم ، رمادي داكن ، وله شعور دهني يمكنه وصمة عار. صلابةها 1-2 ، وكثافتها النظرية 2.26 جم/سم³.
الجرافيت النقي غير موجود في الطبيعة. غالبًا ما تحتوي معادن الجرافيت الطبيعية على شوائب مثل SiO2 و AL2O3 و FEO و CAO و P2O5 و CUO.
غالبًا ما تحدث هذه الشوائب في المعادن مثل الكوارتز والبيريت والكربونات. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي الجرافيت أيضًا على غازات مثل الماء والهيدروكربونات و CO₂ و H₂ و N₂.

لذلك ، بالإضافة إلى تحديد محتوى الكربون الثابت ، يجب أن يقيس تحليل الجرافيت أيضًا المسألة المتقلبة ومحتوى الرماد.

نظرًا لهيكلها الخاص ، لدى الجرافيت الخصائص الممتازة التالية:

(1) مقاومة ارتفاع درجة الحرارة:الجرافيت هو واحد من أكثر المواد مقاومة للحرارة. لا يوجد لديه نقطة انصهار عند الضغط الطبيعي ويفقد وزنه القليل جدًا حتى عند حرقه بواسطة قوس درجة حرارة عالية للغاية.

(2) الموصلية الكهربائية والتوصيل الحراري:الجرافيت لديه الموصلية الكهربائية العالية والتوصيل الحراري. الموصلية الحرارية تتناقص مع زيادة درجة الحرارة. في درجات حرارة عالية للغاية ، يصبح الجرافيت عازلًا.

(3) التشحيم: ريعتمد تشحيم الجرافيت على حجم حبيبات الجرافيت ودرجة تطور البلورة. كلما زاد حجم حبيبات الجرافيت وأكثر إكمالًا للتطور البلوري ، كان معامل الاحتكاك الأصغر وأفضل تزييت.

(4) الاستقرار الكيميائي:الجرافيت لديه استقرار كيميائي جيد في درجة حرارة الغرفة ومقاومة للحمض والقلويات والمذيبات العضوية.

(5) اللدونة:الجرافيت لديه صلابة معينة ويمكن معالجتها ببساطة. يمكن أن يكون الجرافيت ذو درجة عالية من التطور البلوري أرضًا إلى صفائح رقيقة جدًا.

(6) مقاومة الصدمة الحرارية:معامل التمدد الحراري للجرافيت صغير جدًا ، ويمكنه تحمل التغييرات الحادة في درجة الحرارة دون أن تتلف أثناء الاستخدام.

3. تصنيف الجرافيت والخصائص
يمكن تقسيم الجرافيت إلى الجرافيت الطبيعي والجرافيت الاصطناعي. في حين أن الاثنين لهما هياكل مماثلة وخصائص الفيزيائية والكيميائية ، فإن استخداماتهما تختلف اختلافًا كبيرًا.

الجرافيت الطبيعي هو هدية من الطبيعة ، تتكون من التحول طويل الأجل للمواد العضوية الغنية بالكربون في ظل الظروف الجيولوجية عالية الحرارة وذات الضغط العالي. يتم تحديد خصائص معالجة الجرافيت الطبيعي في المقام الأول من خلال شكلها البلوري. المعادن الجرافيت ذات النماذج البلورية المختلفة لها قيم وتطبيقات صناعية مختلفة.
الجرافيت الطبيعي هو مجموعة واسعة من المواد. استنادًا إلى شكلها البلوري ، يتم تصنيف الجرافيت الطبيعي صناعياً إلى ثلاث فئات: الجرافيت البلوري الكثيف ، والجرافيت الفاخرة ، والجرافيت المشفرة. في بلدي ، تقشر الجرافيت والجرافيت المشفرة البلوري هما النوعان الرئيسيان.
الجرافيت البلوري الكثيف ، والمعروف أيضًا باسم الجرافيت الضخم ، له بلورات مميزة مرئية للعين المجردة. قطر الجسيمات أكبر من 0.1 مم. يتم ترتيب البلورات في بنية مضطربة ، كثيفة ، ضخمة. إنه ذو جودة عالية ، حيث يتراوح محتوى الكربون عمومًا من 60 ٪ إلى 65 ٪ ، وأحيانًا يصل إلى 80 ٪ إلى 98 ٪. ومع ذلك ، فإن اللدونة وزيوت التشحيم أدنى من الجرافيت Flake. Graphite Natural Flake Graphite ، وهو مصطلح بلوري للبيغاتيت ، هو بلورة واحدة سميت لشكلها المتقشر. يمكن أن يكون إما رقائق كبيرة أو غرامة. يوفر هذا النوع من الجرافيت زيوت التشحيم واللدونة الفائقة مقارنة بأنواع أخرى من الجرافيت ، مما يجعله أكثر المواد الصناعية قيمة.

على الرغم من أن خام الجرافيت Flake ليس ذو درجة عالية ، حيث يتراوح محتوى الكربون عمومًا من 3 ٪ إلى 25 ٪ ، إلا أنه واحد من أكثر الخامات القابلة للطفرة الموجودة في الطبيعة. من خلال الطحن والاختيار الواسع ، يمكن الحصول على تركيز الجرافيت عالي الجودة.

بدأ الإشارة مؤخرًا إلى الجرافيت الفواني ، المعروف أيضًا باسم الجرافيت غير المتبلور أو الجرافيت الترابية ، باسم الجرافيت المصغر. يحتوي هذا النوع من الجرافيت عادة على بلورات أقل من 1 ميكرون في القطر ولا يمكن رؤيتها إلا تحت مجهر إلكتروني. يمكن اعتباره مجموع بلورات الجرافيت.

عادةً ما يتم تشكيل الجرافيت المصغرة في البلورة الدقيقة عن طريق تحويل الفحم في ظل الظروف الجيولوجية عالية الدقة والضغط العالي. لذلك ، غالبا ما يرتبط بالفحم. غالبًا ما يتم ملاحظة منطقة انتقالية من الأنثراسيت إلى الجرافيت الطبيعي البلوري الطبيعي داخل أجسام خام الجرافيت المصنوعة من البلورية الدقيقة. يتميز هذا النوع من الجرافيت بسطح ترابي ، وعدم وجود بريق ، وزيادة التشحيم أقل من الجرافيت الفاخرة ، والانتقائية الضعيفة. ومع ذلك ، فهي ذات جودة أعلى ، حيث يتراوح محتوى الكربون عمومًا من 60 ٪ إلى 80 ٪ ، مع ما يتجاوز بعضه 90 ٪.

الجرافيت الاصطناعي يشبه البلورات في التصوير البلوري. هناك العديد من أنواع الجرافيت الاصطناعي ، وتختلف عمليات الإنتاج على نطاق واسع. بشكل عام ، يشمل الجرافيت الاصطناعي جميع مواد الجرافيت التي تم الحصول عليها من خلال كربنة المادة العضوية تليها الجرافيت والمعالجة ذات درجة الحرارة العالية ، مثل الألياف الكربونية (الجرافيت) ، والكربون الحراري (الجرافيت) ، والجرافيت الرغوي.

بمعنى أضيق ، يشير الجرافيت الاصطناعي عمومًا إلى مواد صلبة بالجملة ، مثل أقطاب الجرافيت والجرافيت المضغوط بشكل مستوي ، والتي تم إنتاجها باستخدام مواد خام كربونية منخفضة الأمن (مثل فحم الكوك النفطية وفحم الكوك) مثل المجاميع والفحم مثل المجلدات ، من خلال سلسلة من العمليات ، بما في ذلك الدُحمة ، والنعن ، والكربون المعروف بشكل صناعي).

نظرًا لأن الجرافيت الطبيعي يتم إنتاجه بشكل عام بالمعنى الضيق للكلمة ، الجرافيت الاصطناعي ، فإن هذه المقالة ستحلل فقط وتناقش الاختلافات والاتصالات بين الجرافيت الطبيعي والجرافيت الاصطناعي بالمعنى الضيق.

الجرافيت الطبيعي له بلورات متطورة نسبيا. عادةً ما تكون درجة الجرافيت من الجرافيت الطبيعي أعلى من 98 ٪ ، في حين أن درجة الجرافيت المصغرة الطبيعية عادة ما تكون أقل من 93 ٪.
تعتمد درجة التطور البلوري في الجرافيت الاصطناعي على المادة الخام ودرجة حرارة المعالجة الحرارية. بشكل عام ، كلما ارتفعت درجة حرارة المعالجة الحرارية ، زادت درجة الجرافيت. حاليًا ، عادة ما تكون درجة الجرافيوية من الجرافيت الاصطناعي المنتجة صناعياً أقل من 90 ٪.

الجرافيت الطبيعي Flake هو بلورة واحدة مع بنية مجهرية بسيطة نسبيا. أنه يحتوي على عيوب بلورية فقط (مثل عيوب النقطة ، الاضطرابات ، وأخطاء التراص) ، مما يؤدي إلى الخصائص الهيكلية المتجانسة متباين الخواص. يحتوي الجرافيت المصغر على الجبال الصغيرة على حبيبات أصغر ، مع ترتيب عشوائي ومسام ناتجة عن إزالة الشوائب. أنه يظهر الخصائص الهيكلية العيانية المتناحية.
يمكن اعتبار الجرافيت الاصطناعي مادة متعددة الأطباق ، تتكون من مرحلة الجرافيت مشتقة من جزيئات كربونية مثل فحم الكوك البترولي أو فحم الكوك ، وهي مرحلة الجرافيت مشتقة من توبيخ قطران الفحم المحيط بالجزيئات ، والمسام التي تتشكلها تراكم الجسيمات أو عن طريق المعالجة الحرارية لفواة الفحم.

عادة ما يكون الجرافيت الطبيعي في شكل مسحوق ويمكن استخدامه بمفرده ، ولكن غالبًا ما يتم دمجه مع مواد أخرى.
يأتي الجرافيت الاصطناعي في مجموعة متنوعة من الأشكال ، بما في ذلك المسحوق والألياف والكتل. بالمعنى الأضيق ، يكون الجرافيت الاصطناعي عادةً في شكل كتلة ويجب معالجته في شكل محدد قبل الاستخدام.

الجرافيت الطبيعي والجرافيت الاصطناعي يشارك في أوجه التشابه ولكن أيضا تظهر الاختلافات في الأداء. على سبيل المثال ، كل من الجرافيت الطبيعي والاصطناعي هو موصلات جيدة للحرارة والكهرباء. ومع ذلك ، بالنسبة لمساحيق الجرافيت من نفس النقاء وحجم الجسيمات ، فإن الجرافيت الطبيعي يمتلك أفضل الموصلية الحرارية والكهربائية ، يليه الجرافيت المصنوع من البلورة الدقيقة ، والجرافيت الاصطناعي له أدنى.
يعرض الجرافيت زيوت التشحيم الجيد ودرجة معينة من اللدونة. يُظهر الجرافيت الطبيعي ، مع بلوراتها المتطورة بشكل جيد ومعامل الاحتكاك المنخفض ، أفضل زيوت وأعلى اللدونة. يحتل الجرافيت البلوري الكثيف والجرافيت المشفرة في المرتبة الثانية ، بينما يعمل الجرافيت الاصطناعي بشكل سيئ.

تمتلك الجرافيت العديد من الخصائص الممتازة ، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في الصناعات مثل المعادن والآلات والهندسة الكهربائية والمواد الكيميائية والمنسوجات والدفاع. تتداخل تطبيقات الجرافيت الطبيعية والاصطناعية وكذلك تختلف.
في صناعة المعادن ، يتم استخدام الجرافيت الطبيعي ، بسبب مقاومة الأكسدة الممتازة ، في إنتاج المواد الحرارية مثل طوب المغنيسيا والكربون وطوب الكربون.
يمكن استخدام الجرافيت الاصطناعي كأقطاب صناعة الصلب ، في حين يصعب استخدام الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الجرافيت الطبيعي في ظروف التشغيل القاسية لأفران صناعة الصلب الكهربائية.
في الصناعة الميكانيكية ، يتم استخدام الجرافيت عادةً كمواد مقاومة للارتداء وتزييت. يحتوي الجرافيت الطبيعي على زيوت ممتازة وغالبًا ما يتم استخدامه كمضاف للمواد التشحيم.
في المعدات التي تنقل الوسائط المسببة للتآكل ، يتم استخدام حلقات المكبس والأختام والمحامل المصنوعة من الجرافيت الاصطناعي على نطاق واسع ، مما يلغي الحاجة إلى زيوت التشحيم.
يمكن أيضًا استخدام مركبات الراتنج الجرافيت والبوليمر في التطبيقات المذكورة أعلاه ، لكن مقاومة التآكل الخاصة بها أدنى من المقاومة للجرافيت الاصطناعي. يضم الجرافيت الاصطناعي مقاومة التآكل ، والتوصيل الحراري الجيد ، ونفاذية منخفضة. يستخدم على نطاق واسع في الصناعة الكيميائية لتصنيع المعدات مثل المبادلات الحرارية وخزانات التفاعل وأبراج الامتصاص والمرشحات.

يمكن أيضًا استخدام مركبات الراتنج الجرافيت والبوليمر في هذه المناطق ، ولكن الموصلية الحرارية ومقاومة التآكل أدنى من تلك الموجودة في الجرافيت الاصطناعي.

لم يعد تطوير منتجات الجرافيت الجديدة القائمة على عمليات إنتاج الجرافيت الاصطناعية موضوعًا جديدًا في صناعة الجرافيت الاصطناعية. يتم إنتاج العديد من منتجات الكربون الفغرية باستخدام الجرافيت الطبيعي كمواد خام أولية أو ثانوية ، بعد عمليات إنتاج الجرافيت الاصطناعية ، وبعضها أصبح صناعات واسعة النطاق.

قضبان الكربون البطارية من الزنك المانغانية:يتم تصنيع قضبان الكربون لبطاريات الزنك-المانغانية (المعروفة باسم الخلايا الجافة) باستخدام جرافيت البلورية الطبيعية وملعب قطران الفحم كمواد خام أولية من خلال عملية الخلط ، البثق ، التحميص ، التشريب ، وتشريب الشمع.

في المقام الأول الاستفادة من الموصلية العالية والتكلفة المنخفضة للجرافيت الجليدي الطبيعي ، فإن هذه المنتجات لها متطلبات محتوى رماد منخفضة ، ولكن متطلبات أكثر صرامة لشوائب مثل الحديد والكبريت.

فرش الجرافيت الطبيعية:يتم تصنيع فرش المحرك باستخدام Graphite Graphite و Coal Tar Natural كمواد خام أولية من خلال عملية الخلط ، والتقشر ، والطحن ، والتشكيل ، والتحميص (والرسوم البيانية ، إذا لزم الأمر) ، والآلات.

تستخدم هذه المادة في المقام الأول الموصلية العالية واتجاه الجرافيت الطبيعي. إنه يتطلب مستويات منخفضة من الشوائب مثل الحديد والكبريت ، ومحتوى الرماد لا يزيد عن 2 ٪. يجب توخي الحذر أثناء الآلات لضمان توجه التقشر.

مادة الجرافيت الكربونية الميكانيكية:يتم إنتاج هذه المادة بشكل أساسي من الجرافيت الطبيعي والفحم ، يتم إنتاج هذه المادة من خلال عملية الخلط ، والتقشر ، والطحن ، والقولبة ، والتحميص. يتطلب الآلات الدقيقة بناءً على متطلبات التطبيق.

من الأمثلة المذكورة أعلاه ، يمكن ملاحظة أنه بالمقارنة مع الجرافيت الاصطناعي بالمعنى الضيق ، فإن منتجات الجرافيت الكربونية المصنوعة من الجرافيت الطبيعي كمواد خام رئيسية أو مادة خام مساعدة وإنتاجها وفقًا لعملية إنتاج الجرافيت الاصطناعية لها الاختلافات التالية في عملية الإنتاج وأداء المنتج:

(1) عادة ما يحتاج الأول إلى الخضوع لعلاج الجرافيت عند درجة حرارة أعلى من 2500 درجة للحصول على الخواص الفيزيائية والكيميائية المطلوبة ، في حين يمكن رسم الرسم في الأخير أم لا. من أجل تقليل تكاليف الإنتاج ، لا يتم إجراء علاج الجرافيت عادةً ، لذلك هناك مرحلة "كربون" في هيكلها يتم تحويلها من ملعب الموثق. هذا الكربون ، الذي يقع حول جزيئات الجرافيت ويربط جزيئات الجرافيت معًا ، له صلابة أعلى وتوصيل أقل بكثير من الجرافيت الطبيعي ، لذلك يكون له تأثير أكبر على أداء المنتج.

(2) نظرًا لأن الجرافيت الطبيعي موجود عادةً في شكل مسحوق وله قوة ترابط ضعيفة مع قطران الفحم ، فإن منتجات الجرافيت الكربونية المصنوعة من الجرافيت الطبيعي كمواد خام عادة ما يكون لها عيوب مثل المسامية العالية ، والقوة الميكانيكية المنخفضة ، ومقاومة الأكسدة الضعيفة ، ومقاومة الصدمة الحرارية. لذلك ، لا يمكن أن تكون مواصفات المنتج كبيرة جدًا ، كما أن حقل التطبيق محدود أيضًا.

بناءً على التحليل والمناقشة أعلاه ، يعتقد المؤلف أن المشكلات التقنية التالية تتطلب الاهتمام عند تطوير الجرافيت الاصطناعي باستخدام الجرافيت الطبيعي كمواد خام:

تعديل السطح من الجرافيت الطبيعي.بالمقارنة مع المواد الخام الكربونية مثل فحم الكوك النفط وفحم الكوك ، فإن الجرافيت الطبيعي لديه عدد أقل من مجموعات وظيفية للأكسجين السطحي ، وأقل نشاطًا ، ولديه ترابط أكثر فقراً مع قطران الفحم.

لذلك ، فإن منتجات الكربون الفغر المصنوعة باستخدام الجرافيت الطبيعي ، وخاصة الجرافيت الطبيعي ، مثل المادة الخام الأولية واستخدام عمليات إنتاج الجرافيت الاصطناعية تعاني حتما من الخصائص الميكانيكية الضعيفة. يعد المعالجة السطحية المناسبة للجرافيت الطبيعي ضرورية لزيادة محتوى المجموعات الوظيفية للأكسجين السطحي.

تنقية الجرافيت الطبيعي.المواد الخام الكربونية مثل فحم الكوك النفط وفحم الكوك نقي نسبيا ، مع محتويات الرماد عادة أقل من 0.5 ٪. ومع ذلك ، فإن الجرافيت الطبيعي الذي تمت معالجته من خلال التعويم نقي نسبيًا ، مع محتويات الكربون عادةً أقل من 90 ٪. لذلك ، فإن منتجات الكربون الفغرافيت المصنوعة من الجرافيت الطبيعي غالباً ما يكون لها نقاء أقل وأداء إجمالي ضعيف ، مما يحد من مجالات التطبيق. يعد علاج الجرافيت الطبيعي عالي التنظيم طريقة واحدة لمعالجة هذه المشكلة.

التنقية الكيميائية أقل تكلفة ، لكن عملية الغسيل تستهلك كميات كبيرة من المياه وتسبب تلوثًا كبيرًا. تنقية درجات الحرارة العالية ، من ناحية أخرى ، أكثر تكلفة. اقترح البعض إعداد الجرافيت الكتلة أولاً باستخدام عملية الإنتاج للجرافيت الاصطناعي ، ثم تعريضه للمعالجة الحرارية عالية درجة الحرارة فوق 2500 درجة لرسم مرحلة "الكربون" مع إزالة الشوائب من مرحلة الجرافيت الطبيعية. ومع ذلك ، فإن هذا يزيد من تكاليف الإنتاج ، وثانياً ، غالبًا ما تؤدي العيوب الناجمة عن تبخير الشوائب إلى انخفاض أداء المنتج.

حجم جسيمات الجرافيت الطبيعي.لتحسين أداء العملية وأداء المنتج ، تتطلب معظم منتجات الكربون الفريغ ، باستثناء منتجات الفجر الكربرية الدقيقة ، مواد خام من الكربون ذات أحجام جسيمات متفاوتة أثناء عملية التجميع. بالنسبة لبعض المنتجات ذات التنسيق الكبير ، يمكن أن يصل حجم جزيئات المواد الخام الكربونية إلى 16 مم. ومع ذلك ، فإن الجرافيت الطبيعي الذي تتم معالجته عن طريق التعويم غالباً ما يشكل مسحوقًا ناعمًا بأحجام جسيمات يتراوح من عشرات إلى مئات الميكرونات. لذلك ، يقتصر استخدام الجرافيت الطبيعي كمواد خام على إنتاج منتجات الكربون الكربرية الدقيقة.

على الرغم من أن الجرافيت الطبيعي المجهري من أحجام الجسيمات المتنوعة متوفرة ، إلا أن تكاليف تنقية منخفضة وتنقية درجة الحرارة العالية تجعلها باهظة الثمن. لذلك ، لا توجد تقارير عن منتجات الكربون الكربرية الخشنة التي يتم إنتاجها باستخدام الجرافيت المجهري الطبيعي كمواد خام. لمعالجة نقص الجرافيت الطبيعي للجسيمات الكبيرة ، يوصى بتبني عملية "coks الثانوية" المستخدمة في صناعة الجرافيت الاصطناعية لمعالجة المواد الخام السوداء الكربونية.

حجم الانكماش أثناء عملية الإنتاج.أثناء إنتاج الجرافيت الاصطناعي ، خاصة أثناء الجرافيت ، تتحول ذرات الكربون تدريجياً نحو بنية الجرافيت العادية ، مما يؤدي إلى انكماش كبير في الحجم في المنتج النهائي.
يتمتع هذا الانكماش في المجلد بميزة زيادة كثافة المنتج النهائي ، لكن الانكماش غير المتكافئ يمكن أن يسبب التكسير بسهولة. الجرافيت الطبيعي ، من ناحية أخرى ، يعاني من انكماش أقل في الحجم أثناء عمليات الكربنة والجرافيت ، مما يؤدي إلى انخفاض الكثافة والخصائص الميكانيكية.
بالإضافة إلى ذلك ، عند تطوير الجرافيت الاصطناعي من الجرافيت الطبيعي ، يجب النظر في تكلفة الإنتاج الإجمالية.
سعر الجرافيت الطبيعي بعد التعويم يشبه سعر فحم الكوك والبترول الكسرة وفحم الكوك. بعد مزيد من التنقية على محتوى الكربون بنسبة 98 ٪ ، يكون سعر الجرافيت الطبيعي ضعف سعر فحم الكوك البترولي والملعب. لذلك ، باستثناء منتجات الكربون المذكورة أعلاه ، والتي أنشأت بالفعل صناعات مهمة ، فإن معظم الطرق والتدابير التقنية المقترحة ستزيد بشكل كبير من تكاليف الإنتاج.

باختصار ، يعد تطوير منتجات الجرافيت الاصطناعية باستخدام الجرافيت الطبيعي كمواد خام طريقة مهمة لتوسيع تطبيق الجرافيت الطبيعي.
منذ فترة طويلة تم استخدام الجرافيت الطبيعي كمواد خام تكميلية في بعض إنتاج الجرافيت الاصطناعي ، ولكن تطوير منتجات الجرافيت الاصطناعية باستخدام الجرافيت الطبيعي حيث لا تزال المادة الخام الأولية تحديات عديدة تحتاج إلى معالجة.
أفضل طريقة لتحقيق هذا الهدف هو فهم واستخدام بنية وخصائص الجرافيت الطبيعي واعتماد طرق وأساليب العملية المناسبة لإنتاج منتجات الجرافيت الاصطناعية مع هياكل وخصائص وتطبيقات متخصصة.