Grafīts: rūpnieciskais melnais zelts ar atšķirīgu personību

Dabīgais grafīts ir nemetālisks minerāls, kas sastāv no oglekļa elementiem. Tas ir sedimentācijas un metamorfisma kombinētās ietekmes rezultāts ģeoloģiskās vēstures periodā. Tās veidošanās process galvenokārt sastāv no diviem posmiem: oglekli-bagātas nogulumu uzkrāšanās stadijas un metamorfās mineralizācijas stadijas. Pirmais nodrošina bagātīgu oglekļa avotu grafīta veidošanai, bet otrais pabeidz pārveidi no oglekļa par grafītu.

Dabīgais grafīts dabā veidojas no oglekļa vielām. Oglekļa vielu avotus galvenokārt var iedalīt organiskajā oglekli un neorganisko oglekli. To vidū dominē organiskais ogleklis, kas galvenokārt nāk no aļģu augiem un mikrofosilijām sākotnējā okeānā, kā arī citas oglekli saturošas atliekas. Neorganiskais ogleklis veido salīdzinoši mazāku daļu, galvenokārt no oglekli-saturošām neorganiskām vielām, piemēram, karbonātu iežiem, kas veidojas jūras vidē. Sākotnējais organiskais ogleklis un neorganiskais ogleklis uzkrājas un tiek aprakti jūras gultnē, veidojot ar oglekļa vielām bagātus nogulumu slāņus.

Pēc pietiekamu nogulumu rezervju iegūšanas oglekli saturošiem materiāliem ir nepieciešami noteikti temperatūras un spiediena apstākļi, lai tie pārvērstos grafītā. Šis transformācijas process ir pazīstams arī kā grafitizācijas process. Zemes tektonisko plātņu kustības laikā ar oglekli -bagāti nogulumu slāņi okeānā pamazām pārvietojas uz garozas dziļo daļu. Slēgtā vide ar augstu temperatūru un spiedienu ļauj izkliedētajiem oglekļa materiāliem ātri un sakārtoti veidot grafīta kodolus un pēc tam lēnām agregēties un augt, veidojot grafīta kristālus. Starp tiem temperatūra un spiediens ir galvenie nosacījumi oglekli saturošu materiālu pārvēršanai grafītā, un kristāla augšanas laiks ir svarīgs grafitizācijas pakāpes faktors.

Dabīgais grafīts ir plaši izplatīts visā pasaulē, un tam ir bagātīgas rezerves. Amerikas Savienoto Valstu Ģeoloģijas dienesta publicētais "2024. gada minerālu preču kopsavilkums" liecina, ka 2022. gada beigās globāli pierādītās dabiskā grafīta rezerves bija aptuveni 280 miljoni tonnu. Ķīnas rezerves bija aptuveni 810 miljoni tonnu, kas veido aptuveni vienu ceturtdaļu no pasaules kopējā krājuma. Globālā grafīta ražošana 2023. gadā bija aptuveni 1,6 miljoni tonnu, un Ķīnas produkcija bija aptuveni 1,23 miljoni tonnu, kas veido aptuveni 77% no pasaules kopējās produkcijas, padarot Ķīnu par pasaules vadošo grafīta ražotāju.

Dabīgais grafīts ir melnā krāsā un pēc struktūras slidens. Pēc kristāliskās formas atšķirībām to var iedalīt kristāliskajā grafītā un amorfajā grafītā.

Kristāliskajam grafītam ir laba kristāla forma, un kristālus var redzēt ar neapbruņotu aci. To var sīkāk iedalīt pārslu grafītā un bloku grafītā. Ja atsevišķi grafīta slāņi ir sakārtoti, tie veido zivju-zvīņas-, piemēram, pārslu grafītu. Ja izkārtojums ir nesakārtots, veidosies blīvs bloku grafīts.

Kriptokristāliskā grafīta kristāli ir ārkārtīgi mazi un līdzinās augsnei{0}}līdzīgām vielām. To kristālu formas var skaidri novērot tikai ar elektronu mikroskopa palīdzību, tāpēc tos sauc arī par augsni{2}}, piemēram, grafītu.

Dabiskā grafīta kristāliskā forma ir cieši saistīta ar tā rūpniecisko vērtību. Vispārīgi runājot, jo labāka kristalizācijas pakāpe, jo augstākas kvalitātes īpašības. Tāpēc pārslu grafītam bieži ir augstākas īpašības un pielietojuma vērtība salīdzinājumā ar citiem grafīta veidiem.

Pamatojoties uz derīgo izrakteņu klasifikāciju pēc to kristāliskās formas, grafīta atradnes var iedalīt trīs veidos: reģionālais metamorfiskais tips, kontaktmetamorfiskais tips un magmatiskais hidrotermiskais tips, pamatojoties uz ģeoloģisko fonu un apstākļiem grafīta veidošanās laikā.

Reģionālās metamorfās grafīta atradnes lielākoties veidojas seno oglekli{0}}saturošo nogulumu slāņu reģionālā metamorfisma rezultātā tektonisko kustību dēļ. Viņi bieži ražo liela-izmēra un augstas kvalitātes-pārslu grafītu. Lai gan rūdas pakāpe ir salīdzinoši zema, šīm atradnēm ir liels mērogs un rūpnieciskā vērtība ir visaugstākā.

Kontaktmetamorfā grafīta nogulsnes veidojas, kad magma iekļūst ogļu-nesošos slāņos un ogleklis ogļu slānī metamorfizējas. To sauc arī par ogles-nesošu grafītu. Grafīta kristalizācijas pakāpe ir salīdzinoši zema, un tā ir mikrokristāliska vai kriptokristāliska. Rūdas pakāpe ir salīdzinoši augsta, sasniedzot 60% līdz 90%.

Magmas hidrotermiskās grafīta nogulsnes veidojas, atdzesējot un kristalizējoties oglekli{0}}saturošiem magmas šķidrumiem. Tie parasti ir maza mēroga, ar neregulāriem minerālu ķermeņiem, ievērojamām grafīta kristalizācijas pakāpes atšķirībām, un lielākā daļa ir vidēja vai smalka pārslu grafīta. Rūdas pakāpe ir salīdzinoši zema.

Dabiskā grafīta unikālā struktūra piešķir tam dažādas izcilas īpašības, kā arī ievērojami paplašina tā pielietojuma jomu rūpnieciskajā jomā.

Mīksta tekstūra:Grafītam ir lieliska augstas{0}temperatūras izturība. Tā kušanas temperatūra ir tuvu 4000 grādiem un viršanas temperatūra sasniedz 4250 grādus. Grafīts ir atomu kristāls, un kovalentās vienotās saites starp oglekļa atomiem ir ļoti spēcīgas ķīmiskās saites, kuru pārraušanai nepieciešams ārkārtīgi liels enerģijas daudzums. Tāpēc grafīta kušanas temperatūra ir ļoti augsta, un tas piedzīvo minimālu svara zudumu pat ļoti augstā temperatūrā. Tādējādi rūpniecības nozarēs, piemēram, metalurģijā un liešanā, grafītu var izmantot, lai ražotu magnija-oglekļa ugunsizturīgos ķieģeļus un augstas{10}}temperatūras{11}}izturīgus grafīta tīģeļus.

Ķīmiski izturīgs: Grafītam piemīt lieliskas pretkorozijas{0}}īpašības. Tas var izturēt dažādu spēcīgu skābju, spēcīgu bāzu un organisko šķīdumu eroziju. Turklāt grafītam ir ārkārtīgi zema "afinitāte" pret lielāko daļu ķīmisko šķīdumu, un tā virsma nav pakļauta mērogai. To var izmantot ķīmiskajā rūpniecībā, lai ražotu augstas-tīrības pakāpes pret koroziju{5}} izturīgas ierīces, piemēram, ķīmisko vielu cauruļvadus, reakcijas tvertnes, sadedzināšanas torņus utt.

Laba eļļošana:Grafīts ir cieta smērviela ar ilgu lietošanas vēsturi. Tā slāņu struktūra, kas ir viegli bīdāma, nodrošina izcilas eļļošanas īpašības. Pēc gāzu un ūdens tvaiku adsorbēšanas gaisā attālums starp grafīta slāņiem palielinās, atvieglojot slīdēšanu un vēl vairāk uzlabojot tā eļļošanas veiktspēju. Tāpēc tādās nozarēs kā mehāniskā ražošana grafītu var izmantot kā cietu smērvielu, lai palīdzētu noņemt veidnes no lējumiem, vai arī to var kombinēt ar citiem metāliem, lai izgatavotu eļļošanas gultņus un citus berzes materiālus, kas nesatur eļļu. Tā ir arī ikdienā bieži lietota smērviela, lai atrisinātu bloķēšanas serdeņu rūsēšanas problēmu.

Elektriskā vadītspēja:Grafīts ir plaši izmantots nemetālisks vadošs materiāls, kas ir saistīts ar oglekļa atomu elektronu izkārtojuma struktūru grafītā. Katra oglekļa atoma ārējā slānī ir 4 elektroni. Šūnveida-slāņveida grafīta struktūrā katrs oglekļa atoms izmanto 3 elektronus, lai izveidotu savienojumu ar pārējiem 3 oglekļa atomiem, kas atrodas ap to, veidojot kovalentās saites. Tāpēc katram oglekļa atomam būs papildu brīvais elektrons, lai vadītu elektrību, kas padara grafītu ar izcilu vadītspēju. Tādējādi grafītu plaši izmanto elektriskajā rūpniecībā, un to parasti izmanto kā augstas intensitātes spuldžu, oglekļa stieņu, suku u.c. kvēldiegu vai izmanto kā elektrodus mazās elektrodu oglekļa caurulēs, dzīvsudraba taisngriežu pozitīvajos elektrodos, metināšanas oglekli, tālruņu piederumus un citus komponentus.

Turklāt grafīta stabilās fizikālās un ķīmiskās īpašības nosaka tā piemērotību kā ķīmisku reakciju palēninātāju un labu izolatoru. Tas ir ļāvis to plaši izmantot visprogresīvākās rūpniecības nozarēs, piemēram, kodolrūpniecības materiālos un kosmosa aprīkojuma komponentos. Ceturtās -paaudzes augstas-temperatūras gāzi-dzesētajos reaktoros, kas pašlaik tiek komerciāli ekspluatēti Ķīnā, kā reaktoru palēninātājs tiek izmantots stabils grafīts.

Atšķirības starp diviem "industriālā melnā zelta" veidiem

Dabīgais grafīts un ogles ir vielas, kas sastāv no oglekļa elementiem, un abas ir pazīstamas kā "rūpnieciskais melnais zelts". Tomēr tie būtiski atšķiras pēc strukturālajām īpašībām un veidošanās cēloņiem, un tiem ir arī savas unikālas priekšrocības rūpnieciskos lietojumos.

No struktūras viedokļa dabiskais grafīts un ogles būtiski atšķiras. Dabīgais grafīts ir tīrs minerāls, kas sastāv no oglekļa elementiem, ar oglekļa atomiem sakārtotā slāņa struktūrā un vienotu kristāla struktūru. No otras puses, ogles ir dažādu elementu, piemēram, oglekļa, ūdeņraža un skābekļa, maisījums. Oglekļa atomi apvienojas ar citiem atomiem, veidojot dažādas organiskas molekulas, kuras nejauši tiek apvienotas ar neorganiskiem savienojumiem, kā rezultātā veidojas sarežģīta un nesakārtota struktūra. Tāpēc grafīta fizikālās un ķīmiskās īpašības ir daudz stabilākas nekā oglēm. Tās aizdegšanās temperatūra, kušanas temperatūra un siltumvadītspēja ir daudz augstākas nekā oglēm. Tas ir iemesls, kāpēc, lai gan abi satur lielu daudzumu oglekļa elementu, ogles var izmantot kā kurināmo, bet grafītu to nevar izmantot.

No cēloņu viedokļa, lai gan gan dabiskais grafīts, gan ogles ir seno augu atlieku sedimentācijas un metamorfozes produkti, grafīta veidošanai ir nepieciešama augstas{0}}temperatūras un augsta-spiediena metamorfoze zemes garozas dziļajā daļā, kur ogleklis var veidot grafīta kristālus. Oglēm ir jāveic tikai sedimentācija zemes garozas seklajā daļā, lai veidotos brūnogles, un tām ir jāveic zema metamorfisma pakāpe, lai veidotos bitumena ogles un antracīts. Ja temperatūra un spiediens turpina pieaugt, var notikt arī pārveide no oglēm par grafītu. Piemēram, kontaktmetamorfo ogļu -tipa grafīts veidojas, kad antracīta slānī iekļūst magma un notiek augstas-temperatūras metamorfoze.

Rūpnieciskos lietojumos dabiskais grafīts ievērojami atšķiras no akmeņoglēm. Dabisko grafītu galvenokārt izmanto kā rūpniecisku izejvielu rūpniecisko iekārtu detaļu un oglekļa{1}}materiālu ražošanai. No otras puses, ogles galvenokārt izmanto sadedzināšanai enerģijas piegādei un organisko savienojumu ieguvei, piemēram, elektroenerģijas ražošanā, tērauda ražošanā un metanola, neapstrādāta amonjaka un tā tālāk ražošanā.

Globālās industriālās revolūcijas jaunās kārtas parādīšanās ir radījusi jaunas iespējas un izaicinājumus grafīta izpētē un pielietošanā. Līdz ar tehnoloģiju progresu un rūpniecisko modernizāciju progresīvā grafīta apstrādes tehnoloģija ir nepārtraukti guvusi sasniegumus, grafīta īpašības ir dziļi attīstītas un izmantotas, un grafīta nozare ir sākusi attīstīties augsto tehnoloģiju jomā. Ir parādījusies virkne jaunu grafīta materiālu, piemēram, elastīgais grafīts, sfēriskais grafīts, grafēns utt.

Elastīgo grafītu iegūst, strauji karsējot un izplešot dabisko pārslu grafītu, izmantojot īpašu ķīmisku apstrādi. Izplešanās ražošanas procesa dēļ to sauc arī par paplašināto grafītu. Elastīgais grafīts ne tikai pārmanto dabiskā grafīta lieliskās īpašības, bet arī paplašina tā maigumu, elastību un adsorbcijas īpašības. Tas var darboties augstā temperatūrā, augstā spiedienā vai starojuma apstākļos, un to var izmantot kā liesmu slāpējošu un blīvējošu materiālu. Izmantojot tā hidrofobās un oleofīlās īpašības, to var izmantot kā adsorbentu, lai apstrādātu uz naftas balstītas vielas, ko bieži izmanto jēlnaftas noplūdes un naftas atradņu notekūdeņu apstrādei; ar to var arī noņemt eļļā šķīstošas ​​vielas, piemēram, pesticīdus un dažas organiskas vai neorganiskas kaitīgas sastāvdaļas, vai izmantot kaitīgo vielu noņemšanai rūpnieciskajās izplūdes gāzēs un transportlīdzekļu izplūdes gāzēs.

Sfērisko grafītu iegūst, izmantojot mehāniskās un fizikālās metodes, lai sfērizētu dabisko pārslu grafītu. Sfēriskā forma nodrošina to ar izcilu elektrisko vadītspēju, uzlādes un izlādes spēju, kā arī cikla ilgumu, padarot to par salīdzinoši ideālu negatīvo elektrodu materiālu litija -jonu akumulatoriem. Pēdējos gados litija-jonu akumulatoru izmantošana elektroniskajos produktos, piemēram, datoros, sakaros un izklaidē, ir strauji pieaudzis. Strauji paplašinās tīro un videi draudzīgo elektrisko transportlīdzekļu nozare, pieprasījums pēc augstas veiktspējas -litija-jonu jaudas akumulatoriem ir nepārtraukti palielinājies, kas savukārt ir veicinājis pieprasījumu un sfēriskā grafīta attīstību.

Starp visiem jaunajiem grafīta materiālu veidiem, kas pašlaik ir pieejami, grafēns neapšaubāmi ir materiālu "tumšais zirgs", kas izraisa jaunu grafīta pielietojuma vilni un patiesi pārstāv jauna veida produktīvu spēku.

Grafēns ir viena -slāņa loksne-līdzīgs materiāls, kas sastāv no oglekļa atomiem, kas pazīstams arī kā vienslāņa grafīts. Neraugoties uz ārkārtīgi plāno biezumu, tam piemīt ārkārtīgi augsta izturība, kā arī lieliska elektrovadītspēja, siltumvadītspēja un kaļamība, kas padara to augstu novērtētu daudzās jomās, piemēram, fizikā, ķīmijā, bioloģijā un enerģētikā. Izmantojot grafēna izcilās īpašības, var ražot progresīvus rūpnieciskos un elektroniskos izstrādājumus, piemēram, grafēna kompozītmateriālu pretkorozijas pārklājumus, siltumu izkliedējošus plēves materiālus, elastīgas displeja ierīces un sensorus. Nākotnē grafēnam būs plašas perspektīvas tādās jomās kā biomedicīna, optika, elektronika un vide, un ir sagaidāms, ka tas izraisīs graujošu revolūciju pusvadītāju jomā, kļūstot par pamatmateriālu nākamās-paaudzes shēmām un superdatoriem.

Ņemot vērā nepārtrauktu{0}}padziļinātu grafīta materiālu izpēti, nākotnē ir sagaidāms, ka nākotnē parādīsies novatoriskāki un augstas veiktspējas grafīta{2} materiāli, kuriem būs nozīmīga loma rūpniecības attīstības veicināšanā, energoefektivitātes uzlabošanā un vides aizsardzībā. Pašreizējie pētījumi liecina, ka dabiskā grafīta kvalitāte tieši ietekmē no tā izgatavoto jauno materiālu veiktspēju un pielietojuma apjomu. Jo labāka ir dabīgā grafīta kvalitāte un tīrība, jo lielākas priekšrocības jaunu materiālu sagatavošanā. Nākotnē jaunas enerģijas, jaunu materiālu, nacionālās aizsardzības rūpniecības un aviācijas jomās, kurās tiek izmantoti vismodernākie grafīta materiāli, būs lielāks pieprasījums pēc augstas kvalitātes grafīta resursiem. Ķīnai kā lielākajai dabiskā grafīta rezervei un ražotājai pasaulē ir jāturpina padziļināt grafīta izpētes centienus, jāizmanto vairākas metodes, lai visaptveroši meklētu dziļi{9}}iesēdušos derīgos izrakteņus un izstrādātu augstas kvalitātes{10} resursus, un jāpaļaujas uz to, stiprināt grafīta resursu visaptverošu attīstību un izmantošanu, uzlabot pētniecības un tehnoloģiskās inovācijas iespējas, grafīta attīstības priekšrocības un pārveidot jaunas priekšrocības grafīta jomā. jomās, nepārtraukti dodot iespēju attīstīt jaunus ražošanas spēkus.