Graphite

voient également : Graphene

Graphite (appelé par Abraham Gottlob Werner en 1789 du γραφειν grec (graphein) : " ; pour dessiner/write" ; , parce que son utilisation dans des crayons est l'une des formes allotropiques de du carbone . À la différence du diamant , le graphite est un conducteur électrique , et peut être employé, par exemple, dans les électrodes d'une lampe à arc d'arc . Le graphite juge la distinction d'être la forme la plus stable de carbone plein jamais découverte. Il peut considérer la catégorie la plus élevée du charbon , juste au-dessus de l'anthracite et du méta-anthracite alternativement appelé, bien qu'il ne soit pas normalement employé comme carburant parce qu'il est difficile de mettre à feu.

Il y a trois principaux types de graphite normal, chacun qui se produit dans différents types de gisement de minerai : (1) le graphite lamellaire cristallin (ou le graphite lamellaire pour le short) se produit en tant que particules d'isolement, plates, plate-like avec les bords hexagonaux s'ininterrompu et une fois cassé les bords peut être irrégulier ou angulaire ; (2) le graphite amorphe se produit en tant que particules fines et est le résultat du métamorphisme thermique du charbon, la dernière étape du coalification, et s'appelle parfois le méta-anthracite. Le graphite lamellaire très fin s'appelle parfois amorphe dans le commerce ; (3) le graphite de morceau (également appelé le graphite de veine) se produit dans des veines ou des ruptures de fissure et semble en tant qu'intergrowths massifs de platy des agrégats cristallins fibreux ou aciculaires, et est probablement hydrothermique d'origine.

Le " nommé ; fiber" de graphite ; est également parfois employé pour se rapporter à la fibre de carbone de ou au plastique de tissu-renforcé de carbone de .

Occurrence

Les minerais liés au graphite incluent le quartz , la calcite , les météorites de de du fer des micas et les Tourmalines Chine de est habituellement le producteur supérieur du graphite, suivi de l'Inde et du Brésil.

Le graphite a de diverses autres caractéristiques. Les flocons minces sont flexibles mais non élastiques, le minerai peut laisser les marques noires sur les mains et le papier, il conduit l'électricité, et montre le Superlubricity . Ses indicateurs de la zone des puits sont douceur, lustre, densité et strie.

Selon le USGS , production du monde du graphite normal en 2006 étaient 1.03 millions de tonnes et en 2005 étaient 1.04 millions de tonnes (révisés), dont les exportateurs principaux suivants ont produit : La Chine a produit 720.000 tonnes dans 2006 et 2005, le Brésil 75.600 tonnes en 2006 et 75.515 tonnes en 2005 (révisé), le Canada 28.000 tonnes en les deux années, et le Mexique des 12.500 tonnes (amorphes) en 2006 et 12.357 tonnes en 2005 (révisé). En outre, il y a deux producteurs de spécialiste : Le Sri Lanka a produit 3.200 tonnes en 2006 et 3.000 tonnes dans 2005 du graphite de morceau ou de veine, et le Madagascar a produit 15.000 tonnes en les deux années, une grande partie de lui " ; grade" de creuset ; ou graphite lamellaire très grand. Quelques autres producteurs produisent un peu de " très ; grade" de creuset ;.

Selon le USGS , production (synthétique) d'électrode en graphite des États-Unis en 2006 étaient 132.000 tonnes évaluées à $495 millions et en 2005 étaient de 146.000 tonnes évaluées à $391 millions, et la production de fibre de graphite de haut-module (carbone) en 2006 était de 8.160 tonnes évaluées à $172 millions et en 2005 était de 7.020 tonnes évaluées à $134 millions.

Propriétés détaillées

Les deux formes connues de graphite, d'alpha de (hexagonal) et de bêta ( rhomboédrique), ont les propriétés physiques identiques (excepté leur structure cristalline). Des graphites qui se produisent naturellement se sont avérés pour contenir jusqu'à 30% de la bêta forme, quand le graphite synthétique-produit contient seulement l'alpha forme. L'alpha forme peut être convertie en bêta forme par le traitement mécanique et la bêta forme retourne à l'alpha forme quand elle est heated au-dessus du 1000 de ° C . Le les propriétés thermiques acoustiques de et du graphite sont fortement le anisotrope, puisque la propagation des phonons très rapidement le long du serré-bondissent des avions, mais sont plus lent pour voyager d'un avion à l'autre.

Le graphite peut l'électricité de conduite de due à la vaste délocalisation de l'électron dans les couches de carbone. Ces électrons de valence sont libres pour se déplacer, peuvent ainsi conduire l'électricité. Cependant, l'électricité est seulement conduite dans le plan des couches.

Le graphite et la poudre de graphite est évalué dans des demandes industrielles de son auto-lubrifiant et sec lubrifiant des propriétés de . Il y a une croyance universelle que les propriétés de lubrification du graphite sont seulement dues à l'accouplement interlamellar lâchement entre les feuilles dans la structure. Cependant, on lui a montré que dans un environnement du vide (comme en des technologies pour l'usage dans l'espace ), le graphite est un lubrifiant très pauvre. Cette observation a mené à la découverte que la lubrification est due à la présence des fluides entre les couches, telles que l'air et l'eau, qui sont naturellement adsorbés par de l'environnement. Cette propriété moléculaire est à la différence d'autre posée, lubrifiants secs tels que le bisulfure de molybdène . Les études récentes suggèrent qu'un effet appelé le Superlubricity puisse également expliquer les propriétés de lubrification du graphite. L'utilisation du graphite est limitée par sa tendance de faciliter la corrosion piquetée en quelques aciers inoxydables et de favoriser la corrosion galvanique entre les métaux différents (dus à sa conductivité électrique). C'est également corrosif à l'aluminium en présence de l'humidité. Pour cette raison, l'Armée de l'Air des USA de a interdit son utilisation comme lubrifiant dans des avions en aluminium, et a découragé son utilisation dans des armes automatiques contenantes de l'aluminium. Même les marques du crayon de graphite sur les pièces en aluminium peuvent faciliter la corrosion. Un autre lubrifiant à hautes températures, la nitrure hexagonale de bore de , a le même structural moléculaire que le graphite. Ce s'appelle parfois le le graphite blanc , dû à ses propriétés semblables.

Quand un grand nombre de défauts cristallographiques lie ces avions ensemble, le graphite perd ses propriétés de lubrification et devient ce qui est connu comme carbone pyrolytique . Ce matériel est utile pour sang-prendre contact avec des implants tels que les valves de coeur prosthétiques de du que c'est également fortement le diamagnétique, ainsi il flottera dans l'entre le ciel et la terre au-dessus d'un aimant fort.

L'intercalation de de formes de graphite compose avec quelques métaux et petites molécules. Dans ces composés, la molécule ou l'atome de centre serveur obtient le " ; sandwiched" ; entre les couches de graphite, ayant pour résultat des composés avec la stoechiométrie variable. Un exemple en avant d'un composé d'intercalation est graphite de potassium, dénoté par la formule KC₈. Les graphites normaux et cristallins ne sont pas employés souvent en forme pure en tant que matériaux structuraux, dus à leurs cisailler-avions, fragilité et propriétés mécaniques contradictoires.

Histoire

Une certaine heure avant 1565 (quelques sources indiquent dès 1500), un énorme dépôt de graphite a été découvert à l'emplacement du Seathwaite est tombé près de Borrowdale, Cumbria, Angleterre , que les gens du pays ont trouvée très utile pour des moutons d'inscription. Ce dépôt particulier de graphite était extrêmement pur et plein, et a pu facilement être scié dans des bâtons. Ceci reste le seul dépôt du graphite trouvé sous cette forme pleine.

Utilisations

Selon le USGS , consommation des États-Unis du graphite normal dans 2005-06 a fait la moyenne de 41.850 tonnes dans les usages finaux tels que des réfractaires, la sidérurgie, le graphite augmenté, des garnitures de frein, et des revêtement-lubrifiants de fonderie. Les statistiques d'importations-exportations de GAN (nouvelles d'avocat de graphite) pour 2006 et 2007 indiquent que la consommation continuera à ce niveau à moins que l'éleveur de carbone de sidérurgie prenne une baisse énergique.

Réfractaires

Cet usage final commence avant 1900 par le creuset de graphite utilisé pour tenir le métal fondu ; c'est maintenant une pièce mineure de réfractaires. Au milieu des années 80, la brique de carbone-magnésite est devenue importante, et un peu plus tard la forme d'alumine-graphite. Actuellement l'ordre d'importance est les formes d'alumine-graphite, la brique de carbone-magnésite, le monolithics (les mélanges lançants et de enfoncements), et puis les creusets. Les creusets ont commencé à employer le graphite lamellaire très grand, et la brique de carbone-magnésite exigeant le graphite lamellaire pas tout à fait tellement grand ; pour des ces et d'autres il y a maintenant beaucoup plus de flexibilité dans la taille du flocon exigée, et le graphite amorphe n'est plus limité aux réfractaires bas de gamme. des formes d'Alumine-graphite sont employées en tant qu'articles de coulée continue, tels que des becs et des cuvettes, pour donner l'acier fondu de la poche au moule, et la ligne convertisseurs en acier et fours à arc électriques de briques de magnésite de carbone pour résister aux températures extrêmes. Le monolithics de grande pureté sont employé souvent comme garnissage de four continu au lieu des briques de carbone-magnésite. L'industrie de réfractaires des États-Unis et d'Européen a eu une crise en 2000-2003, avec un marché indifférent pour l'acier et une consommation réfractaire en baisse par tonne de rachats fermes fondamentaux en acier et de beaucoup des fermetures d'usine. Plusieurs des fermetures d'usine ont résulté de l'acquisition de RHI des réfractaires de Harbison-Marcheur ; quelques usines ont eu leur équipement vendu aux enchères au loin. Puisqu'une grande partie de la capacité perdue était pour la brique de carbone-magnésite, la consommation de graphite dans le secteur de réfractaires s'est éloignée vers des formes et le monolithics d'alumine-graphite, et de la brique. La source principale de la brique de carbone-magnésite est maintenant des importations en provenance de la Chine. Presque tous les réfractaires ci-dessus sont utilisés pour faire l'acier et pour expliquer 75% de consommation réfractaire ; le repos est employé par une série d'industries, telles que le ciment. Selon le USGS , la consommation normale de graphite des 2006 États-Unis dans des réfractaires était de 11.000 tonnes et en 2005 11.

Sidérurgie

Le graphite normal dans cette utilisation finale entre la plupart du temps dans le carbone augmentant en acier fondu, bien qu'il puisse être employé pour lubrifier les matrices employées pour expulser acier chaud. L'éleveur fournisseur de carbone est très concurrentiel, donc sujet à l'évaluation cut-throat des solutions de rechange telles que la poudre synthétique de graphite, le coke de pétrole, et d'autres formes de carbone. Un éleveur de carbone est ajouté pour augmenter la teneur en carbone de l'acier au niveau spécifique. Une évaluation de consommation de GAN basée sur des statistiques de consommation de graphite du USGS États-Unis indique que 10.500 tonnes ont été employées dans cet usage final en 2005.

Graphite augmenté

Le graphite augmenté est fait en immergeant le graphite lamellaire normal dans un bain de l'acide chromique , puis concentré de l'acide sulfurique , qui force les avions de réseau cristallin à part, de ce fait augmentant le graphite. Le graphite augmenté peut être employé pour faire le graphite contrecarrer ou être employé directement comme " ; top" chaud ; composé pour isoler le métal fondu dans une poche ou des lingots en acier d'un rouge ardent et pour diminuer la perte de chaleur, ou comme firestops adaptés autour d'un firedoor (pendant un feu, le graphite augmente et se carbonise pour résister à la pénétration du feu et pour écarter.), ou pour faire le matériel à rendement élevé de garniture pour l'usage à hautes températures. Après avoir été transformé en clinquant de graphite, le clinquant est usiné et assemblé dans les plats bipolaires en piles à combustible de combustible . Le clinquant est transformé en radiateurs pour les ordinateurs portables qui les maintient frais tout en épargnant le poids, et est transformés en stratifié de clinquant qui peut être employé en emballages de valve ou être transformé en garnitures. Les emballages à l'ancienne sont maintenant un membre mineur de ce groupement : graphite lamellaire fin en pétroles ou graisses pour des usages exigeant la résistance thermique. Une évaluation de GAN de consommation normale courante de graphite des États-Unis dans cette utilisation finale est de 7.

Garnitures de frein

Le graphite lamellaire amorphe et fin normal sont employés dans les garnitures de frein ou des sabots de frein pour des véhicules (nonautomotive) plus lourds, et sont devenus important avec la nécessité de remplacer l'amiante . Cette utilisation a été importante pendant une tout à fait certaine heure, mais les compositions organiques (NAO) en nonasbestos commencent à coûter la part de marché de graphite. Un shake-out d'industrie de garniture de frein avec quelques fermetures d'usine n'a pas aidé ou, ni a un marché des véhicules à moteur indifférent. Selon le USGS , consommation normale de graphite des États-Unis dans des garnitures de frein étaient 6.

Revêtements de fonderie et lubrifiants

Un lavage de revêtement ou de moule de fonderie est une peinture à base d'eau de graphite lamellaire amorphe ou fin. Peignant l'intérieur d'un moule avec lui et le laissant sécher des feuilles un graphite fin enduisent qui soulagera la séparation de la fonte d'objet après que l'à fonte se soit refroidi. Les lubrifiants de graphite sont des articles de spécialité pour l'usage très à haut ou les températures très basses, comme fil meurent le lubrifiant d'extrusion, un agent anti-grippage, un lubrifiant de vitesse pour des machines d'extraction, et pour lubrifier des serrures. Ayant le graphite de bas-granulation, ou même le meilleur graphite d'aucun-granulation (pureté ultra grande), est fortement - souhaitable. Elle peut être employée comme poudre sèche, en eau ou pétrole, ou en tant que graphite colloïdal (une suspension permanente dans un liquide). Une évaluation basée sur des statistiques de consommation de graphite du USGS indique que 2.200 tonnes ont été employées dans cet usage final en 2005.

Autre utilisations

Le graphite normal est la substance utilisée comme matériel d'inscription (" ; lead" ;) dans le commun crayonnent dans des batteries de zinc-carbone de , dans des brosses du moteur électrique , et dans quelques autres utilisations de mineur.

Utilisations de graphite synthétique

Électrodes

Ces électrodes portent l'électricité qui chauffe les fours à arc électriques, les fours d'acier de la grande majorité. Elles sont faites à partir du coke de pétrole de après qu'il soit mélangé au lancement de pétrole, expulsé et formé, puis fait pour l'agglomérer, et puis graphité cuire au four en le chauffant au-dessus de la température qui convertit le carbone en graphite. Elles peuvent varier dans la taille de 6 po. longtemps à 6 pi de diamètre. Le marché d'électrode en graphite est craintif : les fours de plasma-arc (aucunes électrodes) remplacent souvent les fours à arc électriques, et le four d'arc électrique lui-même devient plus efficace et fait plus d'acier par tonne d'électrode. Une évaluation basée sur des données du USGS indique que la consommation d'électrode en graphite était de 197.

Poudre et chute

La poudre est faite en chauffant le coke en poudre de pétrole de au-dessus de la température de la graphitisation, parfois avec des modifications mineures. La chute de graphite vient des morceaux de matériel inutilisable d'électrode (dans l'étape ou l'après utilisation de fabrication) et de turnings de tour, habituellement après écrasement et classement par taille. La plupart de poudre synthétique de graphite va au carbone augmentant en acier (concurrençant le graphite normal), avec certains utilisés dans les batteries et des garnitures de frein. Selon le USGS , la production synthétique de poudre et de chute de graphite des États-Unis était de 95.000 tonnes en 2001 (les dernières données).

Autre utilisations

Les nanotubes de carbone de fibre et de de graphite (carbone) sont également employés en plastiques de tissu-renforcé de carbone de et dans les composés anti-caloriques tels que le carbone-carbone renforcé par (RCC). Les produits faits à partir des composés de graphite de fibre de carbone incluent des clubs de golf des cannes à pêche , vont à vélo des armatures, et des bâtons de piscine et ont été avec succès utilisés en béton armé . Les propriétés mécaniques des composés en plastique graphite-renforcés par fibre et du fer de fonte gris de carbone sont fortement influencées par le rôle du graphite en ces matériaux. Dans ce contexte, le " de limite ; (100%) graphite" ; souvent est employé de manière imprécise pour se rapporter à un mélange pur du renfort et de la résine de carbone, tandis que le " de limite ; composite" ; est employé pour les matières composites avec les ingrédients additionnels. < ! --Source : < http://tennis.com/od/tennisracquetsfaq/f/faqracquets42.htm > ce qui d'autres ingrédients ? Quelle entrée si " ; resin" ; être lié à ? -->

Les trouvailles synthétiques de graphite également emploient comme matrice et le modérateur de neutron de dans les réacteurs nucléaires son bas en coupe de neutron le recommande également pour l'usage dans des réacteurs à fusion proposés de que le soin de doit être pris que le graphite de réacteur-catégorie est exempt de matériaux absorbants de neutron tels que le bore , employé couramment comme électrode de graine dans les systèmes commerciaux de dépôt de graphite-- ceci a causé l'échec des réacteurs nucléaires graphite-basés par de la deuxième guerre mondiale du des Allemands. Puisqu'ils ne pourraient pas isoler la difficulté ils ont été forcés pour employer des modérateurs bien plus chers de l'eau lourde . Le graphite utilisé pour les réacteurs nucléaires désigné souvent sous le nom du graphite nucléaire . Cependant, avec la horreur publique de l'énergie nucléaire et des activités nucléaires, cette utilisation est susceptible mineure et de rester ainsi.

Le graphite a été employé en au moins trois matériaux absorbant les impulsions radar qu'il a été mélangé au caoutchouc dans Sumpf et Schornsteinfeger, qui ont été employés sur des prises d'air d'U-bateau pour réduire leur surface équivalente radar . Il a été également employé dans des tuiles sur les premiers Nighthawks du F-117

Exploitation, réduction, et fraisage de graphite

Le graphite est extrait autour du monde par des les deux puits ouvert et méthodes souterraines. Tandis que le graphite lamellaire et le graphite amorphe sont puits ouvert extrait et sous terre, le graphite de morceau (veine) est seulement extrait sous terre au Sri Lanka. Les mines à ciel ouvert utilisent habituellement l'équipement (c. bouteurs) pour écoper vers le haut le minerai, qui est habituellement mis dans des camions et déplacé à l'usine. Puisque la roche originale habituellement lateritized ou est survécue, ceci s'élève à la saleté mobile avec des taches ou des morceaux de graphite dans lui du puits (le soufflage est rarement exigé). Les mines souterraines de graphite utilisent le perçage et le soufflage pour casser vers le haut le hard rock (minerai), qui est alors déplacé en voitures de mine tirées en une locomotive, ou déplacées en les véhicules à moteur, sur la surface et puis à l'usine. Dans des secteurs moins développés du monde, le minerai peut être extrait par la sélection et la pelle et être transporté en voitures de mine poussées par un travailleur ou par des femmes portant des paniers de minerai sur leurs têtes.

Le graphite a besoin habituellement de réduction, bien que le graphite amorphe thick-bedded et le graphite de veine soit presque toujours valorisé, si bénéficié du tout, par des travailleurs cueillant à la main dehors les morceaux de gangue (roche) et de main-criblage le produit. La grande majorité de production de graphite lamellaire du monde est écrasée et au besoin rectifiée et valorisée par flottaison. Traitant le graphite par flottaison rencontre une grande difficulté : le graphite est très doux et " ; marks" ; (manteaux) les particules de la gangue. Ceci fait le " ; marked" ; les particules de gangue flottent au loin avec le graphite pour rapporter un concentré très impur. Il y a deux manières d'obtenir un concentré ou un produit vendable : le remoulant et flottant à plusieurs reprises (jusqu'à sept fois) pour obtenir un concentré plus pur et plus pur, ou en lixiviant (dissolution) la gangue avec de l'acide fluorhydrique (pour une gangue de silicate) ou l'acide chlorhydrique (pour une gangue de carbonate). Dans le processus de fraisage, les produits et les concentrés entrants de graphite peuvent être rectifiés avant d'être classifiée (classée ou examinée), avec les fractions plus brutes de taille de flocon (au-dessus maille 8 de maille, 8 à maille 20, maille 20 à maille 50) soigneusement préservées, et alors le contenu de carbone est déterminé. Alors quelques mélanges standard peuvent être préparés à partir des différentes fractions, de chacune avec une certaine distribution de grandeurs de flocon et du contenu de carbone. Des mélanges faits sur commande peuvent également être faits pour les différents clients qui veulent une certains distribution de grandeurs de flocon et contenu de carbone. Si la taille de flocon est sans importance, le concentré peut être rectifié plus librement. Les produits finis typiques incluent une poudre fine pour l'usage comme boue dans le forage de pétrole ; en silicate du zirconium , le silicate de sodium et les enduits de l'alcool d'isopropyle pour la fonderie moule ; et un éleveur de carbone dans l'industrie en acier du (la poudre synthétique de graphite et le coke en poudre de pétrole peuvent également être employés comme éleveur de carbone) (la terre Metrics, 1989). Le graphite rugueux est typiquement classifié, rectifié, et empaqueté à un moulin de graphite ; souvent les formulations plus complexes sont également mélangées et empaquetées au service de moulin. Les incidences sur l'environnement des moulins de graphite se composent de la pollution atmosphérique comprenant l'exposition particulaire fine des ouvriers et également de la contamination de sol des débordements de poudre menant aux métaux lourds des contaminations de sol. Des masques de poussière sont normalement portés par des ouvriers pendant le processus de fabrication pour éviter l'exposition d'ouvrier au graphite et au silicate aéroportés fins du Zircon .

Réutilisation de graphite

La manière la plus commune que le graphite est réutilisé se produit quand les électrodes en graphite synthétiques (ou les anodes ou les cathodes) ou sont fabriquées et des morceaux sont découpées ou des turnings de tour sont jetés, ou l'électrode (ou autre) sont utilisées toute la manière vers le bas au porte-électrode. Une nouvelle électrode remplace l'ancien, mais un important morceau de la vieille électrode demeure. Ceci est écrasé et classé, et la poudre en résultant de graphite est la plupart du temps employée pour soulever la teneur en carbone de l'acier fondu. Graphite-contenant des réfractaires sont parfois également réutilisés, mais souvent pas en raison de leur graphite : les articles de grand-volume, tels que les briques de carbone-magnésite qui contiennent le graphite seulement 15%-25%, contiennent habituellement trop peu de graphite. Cependant, une certaine brique réutilisée de carbone-magnésite est employée comme base pour des matériaux de réparation de four, et la brique également écrasée de carbone-magnésite est employée dans des conditionneurs de scories. Tandis que les creusets ont un contenu élevé de graphite, le volume de creusets utilisés et alors réutilisés est très petit.

Un produit de haute qualité de graphite lamellaire qui ressemble étroitement au graphite lamellaire normal peut être fait à partir du kish de sidérurgie. Kish est une perte proche-fondue de large volume écrémée de l'alimentation fondue de fer à un four à l'oxygène, et est un mélange du graphite (précipité hors du fer sursaturé), des scories chaux-riches, et de fer. Le fer est réutilisé sur l'emplacement, ainsi ce qui est quitté est un mélange de graphite et de scories. Le meilleur processus de rétablissement emploie la classification hydraulique (qui utilise un écoulement de l'eau pour séparer des minerais par densité : le graphite est lumière et arrange presque le bout.) pour obtenir à un graphite de 70% le concentré rugueux. La lixiviation de ce concentré avec de l'acide chlorhydrique donne un produit de graphite de 95% avec une taille de flocon s'étendant de la maille 10 vers le bas.

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