Какую температуру выдерживает графит

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.

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:

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.

Механическая Прочность Графита характеризуют такие величины, как Предел прочности на изгиб

и
Предел Прочности на сжатие
. С увеличение плотности, обе эти величины увеличиваются. Единица измерения: МПа.

Чистота

Все графиты содержат в своем составе в большем или меньшем количестве минеральные примеси (золу). Специальная технология очистки графита позволяет снижать содержание золы до 10-4-10-5 % веса при содержании золы до 0,5% в исходных материалах.

Обрабатываемость

Графит хорошо поддается механической обработке; его свойства и структура позволяют изготавливать изделия сложных форм, с малыми допусками и с высокой точностью. Сочетание такого количества положительных свойств в одном материале предопределило его исключительно широкое применение.

Анизотропия физических свойств

Физические свойства графита зависят от ориентации зерен кокса, из которых составляется рецепт. В свою очередь, на физические свойства графита влияет способ прессования. Графиту, прессование которого осуществляется методом экструзии, присуща четко выраженная анизотропия свойств. Зерна ориентированы перпендикулярно направлению прессования. Графиты, изготовленные методом штамповки и изостатического прессования, более изотропны, чем полученные методом экструзии.

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.

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.

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.

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.

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 добытый материал не был обработан искусственно, это природный тип вещества.

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.