گرافیت: طلای سیاه صنعتی با شخصیت متمایز

گرافیت طبیعی یک کانی غیرفلزی- متشکل از عناصر کربنی است. این نتیجه اثرات ترکیبی رسوب و دگرگونی در طول دوره تاریخ زمین شناسی است. فرآیند تشکیل آن عمدتاً از دو مرحله تشکیل شده است: مرحله انباشته شدن رسوبات غنی از کربن و مرحله کانی سازی دگرگونی. اولی منبع غنی کربن برای تشکیل گرافیت است، در حالی که دومی تبدیل از کربن به گرافیت را کامل می کند.

گرافیت طبیعی از مواد کربنی موجود در طبیعت به وجود می آید. منابع مواد کربنی را می توان به طور عمده به کربن آلی و کربن معدنی تقسیم کرد. در میان آنها، کربن آلی غالب است که عمدتاً از گیاهان جلبک و ریزفسیل‌های موجود در اقیانوس اصلی، و همچنین سایر بقایای کربن-حاوی می‌آید. کربن غیر آلی سهم نسبتاً کمتری را به خود اختصاص می‌دهد، که عمدتاً از کربن-حاوی مواد معدنی مانند سنگ‌های کربناته تشکیل‌شده در محیط دریایی ناشی می‌شود. کربن آلی اصلی و کربن غیر آلی در بستر دریا انباشته شده و مدفون می شوند و لایه های رسوبی غنی از مواد کربنی را تشکیل می دهند.

مواد کربن دار پس از داشتن ذخایر رسوبی کافی، برای تبدیل شدن به گرافیت به شرایط دما و فشار معینی نیاز دارند. این فرآیند تبدیل به فرآیند گرافیتی شدن نیز معروف است. در طول حرکت صفحات تکتونیکی زمین، لایه‌های رسوبی غنی از کربن در اقیانوس به تدریج به قسمت عمیق پوسته حرکت می‌کنند. محیط بسته با دما و فشار بالا، مواد کربنی پراکنده را قادر می‌سازد تا به سرعت و منظم هسته‌های گرافیت را تشکیل دهند و سپس به آرامی تجمع کرده و رشد کنند و کریستال‌های گرافیت را تشکیل دهند. در این میان دما و فشار شرایط اولیه برای تبدیل مواد کربنی به گرافیت است و زمان رشد بلور عامل مهمی در درجه گرافیت شدن است.

گرافیت طبیعی به طور گسترده در سطح جهانی توزیع شده و دارای ذخایر فراوانی است. "خلاصه کالاهای معدنی 2024" منتشر شده توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده نشان می دهد که تا پایان سال 2022، ذخایر اثبات شده جهانی گرافیت طبیعی تقریبا 280 میلیون تن بوده است. ذخایر چین حدود 810 میلیون تن بود که تقریباً یک چهارم کل ذخایر جهانی را تشکیل می دهد. تولید جهانی گرافیت در سال 2023 تقریباً 1.6 میلیون تن بود و تولید چین حدود 1.23 میلیون تن بود که تقریباً 77٪ از کل تولید جهان را تشکیل می داد و چین را به تولید کننده اصلی گرافیت در جهان تبدیل کرد.

گرافیت طبیعی به رنگ مشکی و از نظر بافت لغزنده است. با توجه به تفاوت هایی که در شکل کریستالی آن وجود دارد، می توان آن را به گرافیت کریستالی و گرافیت آمورف تقسیم کرد.

گرافیت کریستالی شکل کریستالی خوبی دارد و کریستال ها را می توان با چشم غیر مسلح دید. می توان آن را بیشتر به گرافیت پولکی و گرافیت بلوکی طبقه بندی کرد. وقتی لایه‌های منفرد گرافیت به‌طور منظم روی هم چیده می‌شوند، ماهی-مقیاس-مانند گرافیت پولکی را تشکیل می‌دهند. اگر آرایش نامنظم باشد، گرافیت بلوک متراکم تشکیل می شود.

کریستال‌های گرافیت کریپتوکریستالی بسیار کوچک هستند و شبیه موادی{0}}خاک هستند. شکل کریستالی آنها را فقط با کمک میکروسکوپ الکترونی می توان به وضوح مشاهده کرد، از این رو آنها را خاک{2}}مانند گرافیت نیز می نامند.

شکل کریستالی گرافیت طبیعی ارتباط نزدیکی با ارزش صنعتی آن دارد. به طور کلی، هر چه درجه تبلور بهتر باشد، ویژگی های کیفی بالاتری دارد. بنابراین، گرافیت پولکی اغلب دارای خواص و ارزش کاربردی برتر در مقایسه با سایر انواع گرافیت است.

بر اساس طبقه‌بندی کانی‌ها بر اساس شکل کریستالی، ذخایر گرافیت را می‌توان به سه نوع دگرگونی منطقه‌ای، نوع دگرگونی تماسی و نوع هیدروترمال ماگمایی بر اساس پیش‌زمینه زمین‌شناسی و شرایط تشکیل گرافیت تقسیم کرد.

نهشته‌های گرافیت دگرگونی منطقه‌ای عمدتاً توسط دگرگونی منطقه‌ای کربن باستانی-شامل لایه‌های رسوبی ناشی از حرکات زمین ساختی تشکیل می‌شوند. آنها اغلب گرافیت پولکی-بزرگ و با کیفیت- تولید می کنند. اگرچه عیار سنگ معدن نسبتاً پایین است، اما این ذخایر دارای مقیاس بزرگ و ارزش صنعتی بالاترین است.

رسوب گرافیت دگرگونی تماسی زمانی تشکیل می‌شود که ماگما به لایه‌های زغال‌دار- نفوذ می‌کند و کربن در لایه زغال‌سنگ دچار دگرگونی می‌شود. به عنوان گرافیت{2}}دارای زغال سنگ نیز شناخته می شود. درجه تبلور گرافیت نسبتاً کم است و به صورت میکروکریستالی یا کریپتوکریستالی ارائه می شود. عیار سنگ معدن نسبتاً بالا است و به 60 تا 90 درصد می رسد.

رسوبات گرافیت هیدروترمال ماگما از سرد شدن و تبلور کربن حاوی مایعات ماگمایی{0}} تشکیل می شوند. آنها عموماً در مقیاس کوچک، با بدنه های معدنی نامنظم، تغییرات قابل توجه در درجه تبلور گرافیت، و بیشتر گرافیت پوسته پوسته متوسط ​​تا ریز هستند. عیار سنگ معدن نسبتاً پایین است.

ساختار منحصر به فرد گرافیت طبیعی به آن دارای خواص بسیار عالی متنوعی است و همچنین دامنه کاربرد آن را در زمینه صنعتی به طور قابل توجهی گسترش می دهد.

بافت نرم:گرافیت دارای مقاومت عالی در برابر حرارت-بالا است. نقطه ذوب آن نزدیک به 4000 درجه و نقطه جوش آن به 4250 درجه می رسد. گرافیت یک کریستال اتمی است و پیوندهای تک کووالانسی بین اتم‌های کربن پیوندهای شیمیایی بسیار قوی هستند که برای شکستن آنها به انرژی بسیار بالایی نیاز دارند. بنابراین، نقطه ذوب گرافیت بسیار بالا است و حتی در دماهای بسیار بالا حداقل کاهش وزن را تجربه می کند. بنابراین، در بخش‌های صنعتی مانند متالورژی و ریخته‌گری، از گرافیت می‌توان برای تولید آجرهای نسوز منیزیمی{9}}کربن و بوته‌های گرافیتی مقاوم در برابر حرارت{11} استفاده کرد.

مقاوم در برابر مواد شیمیایی:گرافیت دارای خواص ضد خوردگی عالی است. می تواند در برابر فرسایش اسیدهای قوی مختلف، بازهای قوی و محلول های آلی مقاومت کند. علاوه بر این، گرافیت برای اکثر محلول‌های شیمیایی «میل ترکیبی» بسیار پایینی دارد و سطح آن مستعد پوسته پوسته شدن نیست. می‌توان از آن در صنایع شیمیایی برای ساخت دستگاه‌های مقاوم در برابر خوردگی{{4} با خلوص بالا، مانند خطوط لوله شیمیایی، مخازن واکنش، برج‌های احتراق و غیره استفاده کرد.

روانکاری خوب:گرافیت یک روان کننده جامد با سابقه استفاده طولانی است. ساختار لایه ای آن که به راحتی سر می خورد، خاصیت روانکاری عالی به آن می دهد. پس از جذب گازها و بخار آب در هوا، فاصله بین لایه‌های گرافیت افزایش می‌یابد که باعث می‌شود لغزش آسان‌تر شود و عملکرد روان‌کاری آن بیشتر شود. بنابراین، در صنایعی مانند تولید مکانیکی، گرافیت می‌تواند به عنوان روان‌کننده جامد برای کمک به حذف قالب‌ها از ریخته‌گری استفاده شود، یا می‌توان آن را با فلزات دیگر ترکیب کرد و یاتاقان‌های روان‌کننده بدون روغن و سایر مواد اصطکاکی- ساخت. همچنین یک روان کننده رایج در زندگی روزمره برای حل مشکل زنگ زدگی هسته های قفل است.

هدایت الکتریکی:گرافیت یک ماده رسانای غیر فلزی متداول است که با ساختار آرایش الکترونی اتم‌های کربن در گرافیت مرتبط است. هر اتم کربن دارای 4 الکترون در لایه بیرونی خود است. در ساختار لایه‌ای لانه زنبوری{4}}گرافیت، هر اتم کربن از 3 الکترون برای اتصال به 3 اتم کربن دیگر اطراف خود برای تشکیل پیوندهای کووالانسی استفاده می‌کند. بنابراین، هر اتم کربن یک الکترون آزاد اضافی برای هدایت الکتریسیته خواهد داشت که باعث می شود گرافیت رسانایی عالی داشته باشد. بنابراین، گرافیت به طور گسترده در صنعت برق استفاده می شود و معمولاً به عنوان رشته لامپ های با شدت بالا، میله های کربنی، برس ها و غیره استفاده می شود، یا به عنوان الکترود در لوله های کربن الکترود کوچک، الکترودهای مثبت یکسو کننده های جیوه، کربن جوش، لوازم جانبی تلفن و سایر اجزاء استفاده می شود.

علاوه بر این، خواص فیزیکی و شیمیایی پایدار گرافیت، مناسب بودن آن را به عنوان یک بازدارنده واکنش شیمیایی و یک عایق خوب تعیین می کند. این امکان استفاده گسترده از آن را در زمینه های صنعتی پیشرفته-مانند مواد صنعت هسته ای و قطعات تجهیزات هوافضا فراهم کرده است. در راکتورهای-نسل چهارم با دمای بالا-خنک‌شده با گاز- که در حال حاضر در چین در حال عملیات تجاری هستند، از گرافیت پایدار به‌عنوان بازدارنده برای راکتورها استفاده می‌شود.

تفاوت بین دو نوع "طلای سیاه صنعتی".

گرافیت طبیعی و زغال سنگ هر دو موادی هستند که از عناصر کربنی تشکیل شده اند و هر دو به عنوان "طلای سیاه صنعتی" شناخته می شوند. با این حال، آنها به طور قابل توجهی در خواص ساختاری و علل تشکیل متفاوت هستند، و همچنین دارای مزایای منحصر به فرد خود در کاربردهای صنعتی هستند.

از دیدگاه ساختاری، گرافیت طبیعی و زغال سنگ به طور قابل توجهی متفاوت هستند. گرافیت طبیعی یک ماده معدنی خالص است که از عناصر کربن تشکیل شده است، با اتم‌های کربن که در یک ساختار لایه‌ای منظم و ساختار بلوری یکنواخت قرار گرفته‌اند. از طرف دیگر زغال سنگ مخلوطی از عناصر مختلف مانند کربن، هیدروژن و اکسیژن است. اتم‌های کربن با اتم‌های دیگر ترکیب می‌شوند و مولکول‌های آلی متفاوتی را تشکیل می‌دهند که به طور تصادفی با ترکیبات معدنی ترکیب می‌شوند و در نتیجه ساختاری پیچیده و بی‌نظم ایجاد می‌کنند. بنابراین، خواص فیزیکی و شیمیایی گرافیت بسیار پایدارتر از زغال سنگ است. نقطه اشتعال، نقطه ذوب و هدایت حرارتی آن بسیار بالاتر از زغال سنگ است. به همین دلیل است که اگرچه هر دو حاوی مقدار زیادی عنصر کربن هستند، زغال سنگ می تواند به عنوان سوخت استفاده شود در حالی که گرافیت نمی تواند.

از منظر علل، اگرچه گرافیت طبیعی و زغال سنگ هر دو محصول رسوب و دگرگونی بقایای گیاهی باستانی هستند، تشکیل گرافیت نیازمند دگرگونی-دما و فشار بالا- در قسمت عمیق پوسته زمین است، جایی که کربن می‌تواند کریستال‌های گرافیت را تشکیل دهد. زغال سنگ فقط باید در قسمت کم عمق پوسته زمین ته نشین شود تا زغال سنگ را تشکیل دهد و برای تشکیل زغال سنگ قیر و آنتراسیت تحت درجه کمی دگرگونی قرار گیرد. اگر دما و فشار همچنان افزایش یابد، تبدیل از زغال سنگ به گرافیت نیز می تواند رخ دهد. برای مثال، زغال سنگ دگرگونی تماسی-نوع گرافیت زمانی تشکیل می‌شود که لایه آنتراسیت توسط ماگما نفوذ کند و دچار دگرگونی دمای بالا شود.

در کاربردهای صنعتی، گرافیت طبیعی با زغال سنگ کاملاً متفاوت است. گرافیت طبیعی عمدتاً به عنوان یک ماده خام صنعتی برای ساخت قطعات ماشین آلات صنعتی و مواد مبتنی بر کربن- استفاده می شود. از طرف دیگر زغال سنگ عمدتاً برای احتراق برای تأمین انرژی و استخراج ترکیبات آلی مانند تولید برق، فولادسازی و تولید متانول، آمونیاک خام و غیره استفاده می شود.

ظهور دور جدید انقلاب صنعتی جهانی فرصت ها و چالش های جدیدی را برای تحقیق و کاربرد گرافیت به ارمغان آورده است. با پیشرفت فن آوری و ارتقاء صنعتی، فناوری پردازش پیشرفته گرافیت به طور مداوم به پیشرفت هایی دست یافته است، خواص گرافیت عمیقاً توسعه یافته و مورد استفاده قرار گرفته است، و صنعت گرافیت شروع به توسعه به سمت زمینه های{1}فناوری پیشرفته کرده است. یک سری مواد جدید گرافیتی مانند گرافیت انعطاف پذیر، گرافیت کروی، گرافن و غیره پدید آمده اند.

گرافیت انعطاف پذیر با گرم کردن و گسترش سریع گرافیت پوسته پوسته طبیعی از طریق پردازش شیمیایی خاص ساخته می شود. به دلیل فرآیند تولید انبساطی، به آن گرافیت منبسط شده نیز می‌گویند. گرافیت انعطاف پذیر نه تنها خواص عالی گرافیت طبیعی را به ارث می برد، بلکه خاصیت نرمی، انعطاف پذیری و جذب آن را نیز افزایش می دهد. این می تواند تحت دماهای بالا، فشارهای بالا یا شرایط تشعشع کار کند و می تواند به عنوان یک ماده بازدارنده شعله و آب بندی استفاده شود. با استفاده از ویژگی های آبگریز و اولئوفیل خود، می توان از آن به عنوان یک جاذب برای تصفیه مواد پایه نفت{4}} استفاده کرد که اغلب برای رسیدگی به نشت نفت خام و فاضلاب میدان نفتی استفاده می شود. همچنین می‌تواند مواد محلول در روغن مانند آفت‌کش‌ها و برخی از اجزای مضر آلی یا معدنی را حذف کند یا برای حذف مواد مضر در اگزوزهای صنعتی و گازهای اگزوز وسایل نقلیه استفاده شود.

گرافیت کروی با استفاده از روش های مکانیکی و فیزیکی برای کروی کردن گرافیت پوسته پوسته طبیعی به دست می آید. شکل کروی آن را با رسانایی الکتریکی عالی، ظرفیت شارژ و دشارژ، و عمر چرخه می‌بخشد و آن را به یک ماده الکترود منفی نسبتا ایده‌آل برای باتری‌های لیتیوم- تبدیل می‌کند. در سال‌های اخیر، استفاده از باتری‌های لیتیوم{3}} در محصولات الکترونیکی مانند رایانه، ارتباطات و سرگرمی به سرعت رشد کرده است. با گسترش سریع صنعت وسایل نقلیه الکتریکی پاک و سازگار با محیط زیست، تقاضا برای باتری‌های-لیتیومی{6} با کارایی بالا به طور مداوم افزایش یافته است که به نوبه خود تقاضا و توسعه گرافیت کروی را افزایش داده است.

در میان تمام انواع جدید مواد گرافیت موجود در حال حاضر، گرافن بدون شک "اسب تاریک" مواد است که موج جدیدی از کاربردهای گرافیت را به راه انداخته و واقعاً نشان دهنده نوع جدیدی از نیروی مولد است.

گرافن یک-ورق-تک لایه است که از اتم های کربن تشکیل شده است که به عنوان گرافیت تک لایه نیز شناخته می شود. علیرغم ضخامت بسیار نازک، دارای استحکام بسیار بالایی همراه با رسانایی الکتریکی، هدایت حرارتی و چکش خواری عالی است که آن را در زمینه های متعددی مانند فیزیک، شیمی، زیست شناسی و انرژی بسیار ارزشمند کرده است. با استفاده از خواص برتر گرافن، محصولات صنعتی و الکترونیکی پیشرفته مانند پوشش‌های ضد خوردگی کامپوزیت گرافن، مواد فیلم اتلاف حرارت، دستگاه‌های نمایشگر منعطف و حسگرهای حسگر را می‌توان تولید کرد. در آینده، گرافن چشم‌اندازهای گسترده‌ای در زمینه‌هایی مانند زیست‌پزشکی، اپتیک، الکترونیک و محیط زیست خواهد داشت و انتظار می‌رود که انقلابی مخرب در زمینه نیمه‌رساناها ایجاد کند و به ماده اساسی برای مدارها و ابررایانه‌های نسل بعدی تبدیل شود.

در چارچوب{0}}تحقیقات عمیق مستمر روی مواد گرافیت، انتظار می‌رود در آینده مواد مبتکرانه‌تر و مبتنی بر{1}}گرافیت با کارایی بالا- نوآورانه‌تر ظاهر شوند که نقش مهمی در ارتقای توسعه صنعتی، افزایش بهره‌وری انرژی و حفاظت از محیط زیست ایفا کنند. تحقیقات فعلی نشان می دهد که کیفیت گرافیت طبیعی به طور مستقیم بر عملکرد و دامنه کاربرد مواد جدید تهیه شده از آن تأثیر می گذارد. هر چه کیفیت و خلوص گرافیت طبیعی بهتر باشد، مزایای بیشتری در تهیه مواد جدید خواهد داشت. در آینده، زمینه‌های انرژی‌های جدید، مواد جدید، صنایع دفاع ملی، و هوافضا که از مواد اولیه گرافیت-استفاده می‌کنند، تقاضای بیشتری برای منابع-گرافیت با کیفیت بالا خواهند داشت. چین به عنوان بزرگترین ذخیره و تولید کننده گرافیت طبیعی در جهان، باید به تعمیق تلاش های اکتشاف گرافیت ادامه دهد، از روش های متعدد برای جستجوی همه جانبه-مواد معدنی عمیق و توسعه منابع با کیفیت بالا استفاده کند، و با تکیه بر این، توسعه و استفاده همه جانبه از منابع گرافیت را تقویت کند، مزیت های پژوهشی و فناوری را افزایش دهد، مزیت های نوآوری را در زمینه توسعه گرافیت افزایش دهد و قابلیت های توسعه فناوری گرافیت را افزایش دهد. زمینه های جدید، به طور مداوم توسعه نیروهای تولیدی جدید را تقویت می کند.