Графит металл или нет. Применение графита в различных промышленных отраслях

В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.

Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.

Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.

Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Даны следующие физические свойства графита различной плотности:

теплопроводность графита, Вт/(м·град);
сопротивление разрыву, МН/м 2 ;
модуль упругости графита, МН/м 2 ;
удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.

Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры.
Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.

Приведены следующие свойства углерода (графита):

коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности .

По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 . Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м 3 .

В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м 3 в зависимости от температуры.

Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).

Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается .

Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней.
Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.

Теплопроводность измельченного графита

В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С.
Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см 2 и сухая сажа).

Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 .

Теплопроводность слоя графитовых частиц в зависимости от его пористости

В таблице представлены значения теплопроводности слоя графитовых частиц (частиц углерода) при пористости от 0,4 до 0,7. Следует отметить, что при увеличении пористости слоя его теплопроводность снижается.

Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры.
КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе .
Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.

Теплоемкость углерода в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.

Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.

Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах

В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.

Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).

По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.

Источники:
1. Агроскин А.А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого топлива. М., Недра, 1980 — 256 с.
2.
3. .
4. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.

Помимо широко распространенных в природе соединений с кислородом (карбонатов) и водородом (углеводородов) углерод присутствует в самородном виде, образуя две полиморфные разновидности - графит и алмаз , идентичные по своему составу, но резко отличающиеся по структуре и физическим свойствам.

Синонимы:
Пломбагин (де Лиль, 1783), черный свинец, меланграфит (Хайдингер, 1845), графитоид (Зауер, 1885), графитит (Люци, 1891).

Английское название минерала Графит - Graphite

Происхождение названия

Графит известен с древних времен, назван от греческого "графо" - пишу (Вернер, 1789).

Химический состав

Даже чисто отобранный, всегда содержит абсорбированные газы - главным образом Н, N, в меньшем количестве СО з , СО, CH 4 , иногда NH 3 , H 2 S, а также Н 2 О. Нередко содержит механические примеси, которые при сжигании полностью или частью остаются в золе; иногда содержит битумы. В золе, кроме Si, Al, Fe, Mg, Са и щелочей, могут присутствовать S, Р, Си, Ni, Мо, Mn, а также Be, Ge, Ti, V, благородные металлы и др. Наличие в золе V характерно для графита органогенного происхождения. Fe, возможно, иногда содержится в виде твердого раствора.

Разновидности графита

Шунгит - аморфная разновидность графита (переходная разность между каменным углем и графитом).
(Graphitit) = аморфный разновидность графита
Графитовая слюдка (Graphitglimmer), излишнее название = графит

Шунгит - shungite (Иностранцев, 1879). Впервые обнаружен около с. Шунгав (Карелия, Россия). Относится к группе антраксолитов, является промежуточным продуктом между аморфным углеродом и графитом. Содержит кристаллическую фазу в виде очень тонкодисперсного графита. Выделяют четыре разновидности, отвечающие различной степени метаморфизма и различному содержанию углеродистого вещества.

Шунгит I наиболее близок к графиту. Излом его раковистый. Твердость 3,5-4. Плотность 1,84-1,98. Цвет черный; с едва заметным буроватым отливом. Блеск сильный полуметаллический. Непрозрачен. Содержит мельчайшие включения кварца , доломита , кальцита , пирита и др. Электропроводность близка к таковой графита.

В полированных шлифах латунно-желтый (напоминает пирротин). Двуотражения (в отличие от графита) не обнаруживает. Заметно анизотропен.
Содержит 93-98% С, до 3-4% соединений водорода, также N, О, S, до 8% гигроскопической воды; в золе - значительные количества V, Ni, Мо, а также W, Се, As; по спектральным анализам: Со, Ti, Mg, Sr, Си, Сг, Zr, Rh, Ru, Pt, Mn. Содержание V, характерное для шунгита, по данным Мармо, связано с примесями.
Под паяльной трубкой растрескивается и сгорает чрезвычайно медленно. Крепкие H 2 SO 4 и HNO 3 окисляют тонкий порошок лишь при длительном кипячении.
Шунгит II, III и IV - разновидности со слабым и с матовым блеском содержат соответственно всего 40-60%, 28-44% и меньше 15% углерода.
Имеет очень ограниченное распространение. Образовался, по-видимому, в результате метаморфизма докембрийских битуминозных осадочных пород под воздействием диабазов. В Карелии слагает прожилки, линзочки на контакте известняков и диабазов, пропитывает сланцы. Наблюдался в нескольких местах в р-не Онежского оз. в Карелии и в Финляндии, отмечался в Бурятии и Якутии, а также на Урале - в магнезитах Сатки (Челябинская обл.) и в породах спилито-альбитофировой формации около Красноуральска (Свердловская обл.), где приурочен к контактам спилитов и альбитофиров с прослоями метаморфизованных осадочных и туфогенно-осадочных пород.
Может быть использован как удобрение, в качестве топлива в специально приспособленных топках, как сырье для извлечения V, Мо, в металлургии (в качестве заменителя кокса и носителя легирующих

Кристаллографическая характеристика

Сингония гексагональная.

Класс гексагонально-дипирамидальный.

Кристаллическая структура. Структура слоистого типа. В бесконечной плоской сетке каждая петля представляет шестиугольник бензольного типа; около каждого атома С имеются три соседних на таком же расстоянии. Параллельные сетки отстоят друг от друга на значительном расстоянии. На период с приходятся две такие взаимно параллельные сетки, которые взаимно смещены так, что над центром шестиугольника нижней сетки находится узел верхней сетки. Ввиду слабой связи между сетками эта закономерность строения решетки графита часто нарушается, и по отношению к центру шестиугольника одного слоя верхний и нижний слои располагаются так, что тройки лучей С - С, находящиеся над и под осью среднего кольца, взаимно повернуты на 180°. Если такое нарушение строения решетки графита проявляется в большом масштабе, то говорят о ромбоэдрической (трехслойной) модификации графита. Возможны и другие нарушения в чередовании слоев. Наличие в решетке подвижных электронов обусловливает ряд свойств графита, приближающихся к свойствам металлов: цвет, блеск, электро- и теплопроводность, кислотоупорность и т. п. Различие связей в решетке в направлении слоистости и перпендикулярно к нему вызывает резко выраженную анизотропию твердости, электропроводности, магнитных, оптических и других свойств.

Главные формы : Кристаллы таблитчатые по (0001), несовершенные; образуют шестиугольные пластинки с развитыми гранями (h0hl) при отсутствии или подчиненном значении (hh2hl). Наиболее обычны формы: с, r, о, q, р.
На гранях наблюдается штриховка.

Форма нахождения в природе

Облик кристаллов . Кристаллы редки. образует мелкие пластинчатые (шестиугольные) кристаллы.

Двойники по (1121) образуются в результате действия давления, проявляются на (0001) в виде тригональной или гексагональной штриховки; редки двойники вокруг с поворотом на 30° (90°). Наблюдались ориентированные срастания с биотитом .

Агрегаты . Отдельные мелкие чешуйки и пластинки, сферические конкреции радиально-лучистого, реже концентрического строения, агрегаты чешуек различной величины, иногда землистый.

Физические свойства

Оптические

Цвет кристаллов темно-серый, серебристый, цвет агрегатов железно-черный до стально-серого.
Черта темно- свинцово-серая, черная блестящая
Блеск сильный металлический,
Отлив у скрытокристаллического - матовый.
Прозрачность. Просвечивает лишь в очень тонких листочках.

Показатели преломления

Ng = , Nm = и Np =

Механические

Твердость 1-2, на (0001) - 5,5; у высокодисперсных агрегатов твердость возрастает с увеличением степени дисперсности. Листочки упругие сопротивление их на разрыв 2 кг/мм 2 (Шапиро).
Плотность 2,21-2,26.
Спайность в одном направлении по (0001) совершенная.
Излом яснокристаллических агрегатов зернистый, плотных - ровный.

Химические свойства

Химическая стойкость. Кислотоупорен. В полированных шлифах графит ни одним из стандартных реактивов не травится.
При нагревании с дымящей HNO 3 чешуйчатый графит вспучивается (реакция Броди). При длительном нагревании в смеси дымящей HNO 3 с бертолетовой солью (KClO 3) образуется графитовая кислота. На основе некоторого различия в отношении к HNO 3 и KNO 3 было предложено (Люди 1891) различать две разности - α и β.

Прочие свойства

Коэффициент трения очень низкий, с чем связаны «жирность» на ощупь и применение в качестве смазочного материала.

Хороший проводник электричества. Электропроводность резко убывает при повышении температуры (Датэ) и возрастает с увеличением влажности и содержания летучих (Вада). Сильно выражена анизотропия магнитных свойств.

Термическая стойкость. Температура плавления 3550° + 50° . При нагревании в воздухе начинает окисляться выше 400° (чешуйки восточно-забайкальского при температуре ниже 300°); скорость окисления (горения) зависит от строения агрегатов: крупночешуйчатого- 720-730°, мелкочешуйчатого ботогольского - 680°.

Искусственное получение

В электрических печах при температурах выше 2200° графит получается из антрацита и из аморфного углерода (ачесоновский графит). Выделяется при раскристаллизации металлов, особенно в сером чугуне. В виде шестиугольных пластинок был получен из силикатного расплава с примесью сажи и флюорита. Образуется из алмаза при нагревании в вакууме при~2000°; при этом графита ориентируется параллельно алмаза. Может быть получен при низком давлении и при температуре до 1000° в результате раскисления СО 2 и СО, образующихся при диссоциации СаСО 3 (опыты Олинга, Винчела и Фрауэнфельдера, по Шапиро).

Диагностические признаки

Характерны цвет, жирность на ощупь, низкая твердость, мягкость (пишет на бумаге), пачкает пальцы. кислотоупорность.

Мелкие чешуйки от очень сходного молибденита отличаются более темным цветом и менее сильным блеском. В отражательном свете по характеру двуотражения и анизотропии определяется легко. Может быть принят лишь за молибденит (отличается коричневатым оттенком и низкой отражательной способностью - Re), за валлериит и тенорит , отличающиеся по парагенезису; валлериит, кроме того, характеризуется высокой отражательной способностью, тенорит - меньшим двуотражением. Изотропный скрытокристаллический графит в очень мелких выделениях трудно отличим от сульванита, отражательная способность которого, однако, выше средней отражательной способности графита.
Межплоскостные расстояния графита (по Михееву) Fe-антикатод, D = 140,00 мм

Происхождение и нахождение

Широко распространенный минерал, образующий местами крупные скопления. Возникает при высоких температурах - при кристаллизации магмы, при образовании жильных месторождений и при процессах метаморфизма.

Месторождения

Образование скоплений графита в магматических породах связано с ассимиляцией магмой известняков, битуминозных или углистых пород. Некоторые месторождения этой группы имеют промышленное значение. Наиболее известным среди них является Ботогольское (Алиберовское) месторождение в Бурятии, в котором графит образует штоки, гнезда, жилообразные тела и рассеянные выделения среди сиенитов по близости от известняков. Спутники графита - микроклин, эгирин-авгит, альбит, кальцит, сфен и др. В Черемшанском месторождении (Ильменские горы в Челябинской обл.) графит наблюдается в граните в виде сферолитов, гнезд и неправильных выделений. Выделения графита среди гранитов установлены также в округе Клей (шт. Алабама, США). В Овифаке (Зап. Гренландия) графит обнаружен в базальтах вместе с самородным железом, на Гарце (Германия) - в порфирах, порфиритах и габбро, в Малаге (Испания)-среди серпентинита и диорит-порфирита, в Новом Южном Уэльсе (Австралия)-в фельзитах, слагающих дайку. Выделения графита, частью имеющие практическое значение, наблюдаются во многих пегматитовых жилах (графитоносные пегматиты Украины, Таджикистана, Бразилии, Индии, Гренландии, США, Италии, Канады и других стран).
Из высокотемпературных жильных месторождений графита наибольшей известностью пользуются месторождения Цейлона, имеющие большое промышленное значение. Графитовые жилы здесь залегают главным образом среди гнейсов; они состоят почти нацело из графита или содержат наряду с ним пирит, титаномагнетит, кварц, биотит, ортоклаз, апатит, ортит, рутил, цеолиты, кальцит и другие минералы. Шильные месторождения графита такого же типа имеются в Канаде (пров. Квебек), США (шт. Монтана), в Англии (Камберленд) и в других странах.
Отмечается наличие графита в некоторых кварцевых жилах с вольфрамитом , в некоторых золотоносных кварцевых жилах, среднетемпературных гидротермальных свинцово-цинковых месторождениях и др.
В скарновых месторождениях графит наблюдается в ассоциации с гранатом, везувианом, диопсидом, волластонитом, тремолитом, скаполитом, кальцитом, апатитом и другими минералами; некоторые месторождения этой группы являются промышленными. Таковы месторождения Канады - Луиза (пров. Квебек) и Порт-Элнслей (пров. Онтарио). В месторождении Тас-Казган (Узбекистан) графит приурочен к контакту габбро-норитов с битуминозными породами.

Широко развит в метаморфических породах, гнейсах и сланцах, в виде отдельных рассеянных чешуек, скоплений, линзовидных и пластовых залежей. Образуется в результате глубокой метаморфизации древних осадочных пород, первоначально содержавших значительные количества органических остатков (битуминозных), или карбонатных отложений. Таковы широко развитые чешуйчатые выделения в гнейсах и сланцах Украины - результат интенсивной метаморфизации древних кристаллических пород, возможно, при участии летучих (месторождения Старо- Крымское, Завьяловское и др.), Союзное месторождение на Малом Хингане в Амурской обл., Тайгинское и Мурзинское месторождения Свердловской обл., богатые месторождения в гнейсах около Пассау (Германия), в метаморфизованных известняках Паргаса в Финляндии, Эшленд в шт. Алабама (США), крупные месторождения чешуйчатого графита на Мадагаскаре и др.
Широко развиты месторождения скрытокристаллического графита, связанные с метаморфизацией каменных углей. В соответствии с различными условиями метаморфизма степень метаморфизации углей различна. Графит образует прослойки, пласты и пластовые залежи. Под влиянием контактного воздействия траппов на угольные пласты образовались, например, крупные залежи западной части Тунгусского угольного бассейна (Красноярский край), состоящие из мельчайших выделений графита с примесью пирита, кальцита, небольших количеств апатита, рутила, магнетита и др. С метаморфизмом каменных углей связано также образование некоторых графитовых месторождений Урала (Боевское, Полтавское, Брединское, Фадинское Челябинской обл.). Тонкодисперсный графит, выявляемый лишь рентгеновским анализом, содержится во многих ископаемых каменных углях.
Графит содержится в некоторых элювиальных, реже в аллювиальных россыпях, образующихся при выветривании графитсодержащих пород.
В сублиматах вулкана Билюкай на Камчатке графит в виде налета на нашатыре образовался, вероятно, в результате действия лавового потока на растительность (по устному сообщению Набоко). Отмечается наличие графита в каменных и железных метеоритах.
Неясен генезис пленок графита на кристаллах алмаза в южноафриканских месторождениях.

Завальевское месторождение чешуйчатого графита

Графит. Крупночешуйчатый агрегат. Украина. Завалье

Многочисленные промышленные залеж и чешуйчатого графита Украинской графитоносной провинции связаны с архейскими образованиями тетерево-бугской серии в составе Украинского кристаллического массива. Эта серия сложена сильно дислоцированными амфиболитами, амфиболовыми, плагиоклазовыми, пироксеновыми, силлиманитовыми и гранатовыми гнейсами, кварцитами и кристаллическими известняками, перемежающимися с графитистыми биотитовыми, серицитовыми, биотит-хлоритовыми и хлоритовыми гнейсами, имеющими нередко промышленное значение. В пределах провинции выделяют три рудных района: Прибугский (по рекам Тетерев и Буг), Криворожский (по р. Ингулец) и Приазовский (вдоль побережья Азовского моря). Все месторождения провинции имеют большую промышленную ценность благодаря высокому качеству графита, большим масштабам оруденения, легкости о богащения руд и возможности открытой разработки.

Завальевское месторождение, расположенное на левом берегу Юж. Буга, является типичным представителем этой провинции. Геологически оно приурочено к крупной синклинальной складке запад-северо-западного направления с крутыми (вплоть до вертикальных) углами падения пород в крыльях. Центральная часть складки выполнена кристаллическими известняками, окаймляемыми кварцитами; мощность известняков 500 м, кварцитов 20-50 м. Ниже по разрезу находятся графитоносные гнейсы (продуктивная толща), мощность которых не выдержана: в северном крыле она достигает 250 м, а в южном - резко сокращается до 15 м. Продуктивная толща подстилается бёзрудными амфиболовыми гнейсами. Синклиналь зажата между гранитами, обнажающимися в северной части месторождения, и прорвана кварцевыми жилами, дайками гранитов и гранит-аплитов. Кристаллические породы на участке месторождения повсеместно перекрыты третичными и четвертичными песчано-глинистыми отложениями мощностью до 35-40 м.

Продуктивная толщ а графитоносных биотит-хлоритовых и полевошпат-гранатовых гнейсов состоит из нескольких (1-5) графитсодержащих горизонтов, разделенных безрудными гнейсами. Мощность этих горизонтов варьирует от 3,5 до 70 м, а протяж енность составляет сотни метров; в них по данным опробования оконтуриваются промышленные рудные тела пластовой и линзовидной формы, сложенные вкрапленными рудами. Графит в этих телах крупночешуйчатый (размером от 0,1 до 1-2 мм) со средним содержанием 6- 10%. Иногда чешуйки графита объединяются в пятнистые скопления - агрегаты. Помимо графита в составе руд присутствуют кварц, калиевый полевой шпат, плагиоклаз, а так ж е небольшие количества биотита, хлорита, граната,
кальцита, апатита, циркона и пирита.

В четко выраженной коре выветривания, развивающейся по графитоносным гнейсам, наблюдается зональность. В верхней (рыхлой) зоне широко развиты глинистые минералы. Минеральный состав руд: графита до 10%, до 50% глинистых минералов (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит , нонтронит и д р.); 25% кварца; до 10% гидроксидов железа; до 10% гранатов и полевых шпатов. В средней (полурыхлой) зоне при сохранении содержания графита (до 10%) увеличивается количество кварца (30-4 0%) и полевых шпатов (10- 2 5 %), появляются слюды (10- 15%), гранат, силлиманит и апатит (до 10%), одновременно сокращается доля глинистых минералов (10-4 0 %). Нижняя (плотная) зона коры выветривания по своему минеральному составу близка первичным (твердым) рудам месторождения. Благодаря тому что в коре выветривания чешуйки графита освобождены от срастания с другими минералами (раскрыты), эти руды (так называемые мягкие) еще более легко обогатимы, представляя первоочередной объект промышленной разработки. Рыхлые и твердые руды месторождения обогащаются флотацией с получением концентрата, содержащего 85-90% графита высокого качества зольностью не выше 10- 15%. По разведанным запасам и масштабу добычи месторождение является одним из крупнейших в стране. Большинством исследователей генетически Завальевск о е месторождение рассматривается как метаморфическое, образовавшееся в процессе регионального метаморфизма первично-осадочных алюмосиликатных пород, содержащих в своем составе рассеянное углеродное вещество. Отдельные геологи (В. П. Бухаров, В. Б. П о лянский и др.) полагают, что образование графита в гнейсах происходило за счет углерода, освобождавшегося при дегазации карбонатных пород, сопровождавшейся разложением оксида углерода (реакция Будуара). Наконец, имеются данные о том, что наряду с графитом, образовавш имся за счет первично-осадочного углерода, в гнейсах может быть и более поздний графит, связанный с глубинным источником углекислоты (А. Ф. Коржинский и др.).

Практическое применение

Графит имеет очень разнообразное применение, основанное на его «жирности», кислотоупорности, огнестойкости, электропроводности. Идет на изготовление тиглей для плавки стали и цветных металлов (около 65-70% общего потребления), широко применяется в электротехнике (для изготовления электродов), как смазочный материал, при производстве красок, карандашей и др. Наиболее ценным считается кристаллический графит; скрытокристаллические разности употребляются лишь в литейном деле, как наиболее дешевое сырье.

Мировая добыча природного графита осуществляется в немногих странах и приближается к 600 тыс. т/год. Почти половина ее приходится на КНР и Россию, разрабатываю щ ие месторождения кристаллического и аморфного графита. Крупными продуцентами кристаллического графита являются Чехия, Германия, Малагасийская Республика, Норвегия, Шри-Ланка, а аморфного - Индия,
Мексика, КНДР, Южная Корея, Австрия. Мировое производств0 синтетического графита составляет около 1,5 млн т и осуществляется в промышленно развитых странах, не обладающих существенными природными запасами этого сырья: США, Канаде, Японии, странах Западной Европы.

Описание и свойства графита

Графит – это природный элемент, легко раскалываемый минерал, одна из модификаций углерода. Графит – материал очень мягкий, легко поддающийся механической обработке, обладает металлическим блеском. Графитовая формула – С (углерод).

Электропроводность графита, фото которого можно посмотреть выше, превышает электропроводимость в 2,5 раза. Удельное сопротивление электротока с температурой в 0 градусов находится в границах 0,390-0,602 Ом, а его самое низкое значение для различных видов данного элемента одно и то же – 0,0075 Ом.

Элемент отличается повышенной теплопроводимостью, коэффициент которой в 5 раз выше, чем имеет кирпич (0,041). Графитные отличаются более низкой теплопроводностью. Пределы температуры плавления – 3845-3890 С, кипение начинается при 4200 С. Во время сжигания элемента выделяется 7832 ккал тепла. Графит является диамагнитным.

Его основные химические свойства – инертность по отношению к жидкостям, газам и твёрдым веществам, способность растворяться в расплавленных металлах, с точкой плавления превышающей его собственную. На высокой температуре может взаимодействовать с другими элементами.

Не эластичен, но в то же время изгибается и режется. Благодаря жирности и пластичности имеет широкое применение в промышленном производстве. Жирность также позволяет применять его как смазочный материал. Плотность графита 2,23 г/ см3.

Графит отличается слоистой структурой, имеющей свои особенности. Атомы углерода кристаллической решётки графита представляют собой сотовые ячейки: шестиугольники, расположенные рядами. В каждом ряду атомы плотно связаны друг с другом, а ряды между собой имеют слабую связь. Поэтому графит легко сломать даже если только слабо надавить.

Твёрдость по шкале Мооса приравнивается к единице, в то время как у алмаза – десять, несмотря на тот факт, что алмаз и графит – это углеродовые подвиды. Всё дело в кристаллической решётке. У алмаза один атом углерода связан с четырьмя лежащими рядом. На основе исследований учёные доказали, что кристаллическая решётка графита при температуре выше 1500 С может преобразоваться в решётку алмаза.

В процессе переработки как физические, так и химические свойства графита меняются, поэтому его классифицировали на марки, которые имеют соответствующие различия. В промышленности отдельная марка графита используется для определённого вида продукции.

Графит подразделяется на естественный (природный) и искусственный. При его производстве учитывают свойства в зависимости от назначения продукции. Естественный в свою очередь делится на графит кристаллический и скрытокристаллический, представляет собой порошок, похожий на порох.

Производители продукции из графита предъявляют свои требования к сырью в зависимости от его назначения. В соответствии с этим проведена маркировка, и сейчас вырабатываются различные марки графита , имеющие каждая свое предназначение.

Среди них электроугольная, , элементная, аккумуляторная, карандашная, смазочная, а также специальная марка по производству графита для ядерных реакторов. Весь производимый графит должен соответствовать техническим требованиям в зависимости от области его применения.

Месторождения и добыча графита

Ресурсы графита во всём мире составляют примерно 600 млн т, а его ежегодная добыча свыше 600 тыс. т. Наибольшими запасами владеют Мексика, Китай, Чехия, Бразилия, Украина, Россия, Южная Корея, Канада. Образовался этот минерал метаморфизацией осадочных пород из органических соединений. Месторождения графита с давних времён представляют интерес с экономической точки зрения и оцениваются мощностью в миллионы тонн.

Разработка этих месторождений обеспечивает промышленность необходимым сырьём. Натуральный графит встречается в виде плотных кристаллических или волокнистых вкраплений в , породы, , . Он образует большие скопления в виде непрозрачных, серых, землистых или чешуйчатых масс. Цвет графита в пределах от серого стального до чёрного. Кусковой графит добывают подземным способом, а графитовую руду – открытым.

Применение графита

И производители, и обыватели уже давно знакомы с графитовым веществом , зарекомендовавшим себя наличием качеств, которые позволяют применять его не только для производственных процессов, но и в повседневной жизни.

Благодаря таким основным свойствам как электропроводность и огнеупорность, этот минерал нашёл широкое применение в промышленности. Металлургия использует его для изготовления тугоплавких ковшей, форм для , ёмкостей для кристаллизации. Литейное производство применяет графитовый порошок как смазку форм для литья.

Является одной из составляющих при изготовлении огнеупорного кирпича. Полировочные и шлифовальные пасты получают из графитовых смесей. Учитывая электропроводящие свойства природного элемента, он незаменим для изготовления контактов электроприборов и электродов.

Промышленность по производству графитовых карандашей, смазочных материалов и изготовления красок тоже не обходится без этого вещества. Стержни для карандашей изготавливаются из чёрного графита , хотя в природе существует серый графит со стальным блеском. Является наполнителем пластмассы, с его помощью налажено производство искусственных алмазов.

Даже атомная энергетика оценила свойства графита и взяла его на использование. Машиностроение – материал для подшипников, уплотнительных и поршневых . В быту также стали использовать графитовую смазку – обрабатывать автомобильные рессоры, велосипедные цепи, даже дверные петли.

Покрасочным средством, обладающим антикоррозионными качествами является краска графитовая . Она представляет собой однокомпонентную суспензию. В её состав, кроме графитового наполнителя, входят пластификатор и связующие пигменты. Применяя такую краску, защищают бетонные, стальные, деревянные, алюминиевые, чугунные изделия от коррозии.

В медицине графит зарекомендовал себя как одно из гомеопатических средств при кожных заболеваниях, являющихся следствием внутренних и трудно поддающихся терапии нарушений. Препятствует образованию спаек и рубцов после воспалений, а также влияет на обменные процессы. Заболевания, на которые благотворно воздействует графит, сложно перечислить, поэтому он входит в состав многих лекарственных препаратов.

Цена графита

Продажей графита занимаются специализированные компании, занимающиеся добычей и переработкой графита, цены на который достаточно приемлемы. Ценовая категория природного графита зависит от размеров его и содержания углерода. Каждый сорт графита имеет свою стоимость – чем выше содержание углерода, тем лучше технические свойства, и тем он дороже.

Реализация данного минерала производится как в розницу, так и оптом. Потребитель может графит купить на выгодных для него условиях. При покупке оптом делается скидка, обеспечивается его доставка. Стоимость зависит и от региональной принадлежности. Средняя цена на графит примерно 45 руб/кг. Готовая продукция стоит дороже.

Графиты - вещества серого цвета с металлическим блеском, аморфного, кристаллического, или волокнистого сложения, жирные на ощупь, удельный вес от 1,9 до 2,6.
По внешнему виду графит, имеет металлический свинцово-серый цвет, колеблющейся от серебристого до черного, с характерным жирным блеском.
Поэтому потребители зачастую называют явнокристаллические графиты серебристыми, а скрытокристаллические - черными.
На ощупь графит жирен и отлично пачкается. На поверхностях он легко дает черту от серебристого до черной, блестящей. Графит отличается способностью прилипать к твердым поверхностям, что позволяет создавать тонкие пленки при натирании им поверхностей твердых тел.
Графит представляет собой алоторопную форму углерода, которая характеризуется определенной кристаллической структурой, имеющей своеобразное строение.

В зависимости от структурного строения графиты делятся на:
явнокристаллические,
скрытокристаллические,
графитоиды,
высокодисперсные графитовые материалы, обычно называемые углями.
В свою очередь, явнокристаллические графиты по величине и структуре кристаллов делятся на:
плотнокристаллические (Боготольское месторождение графита),
чешуйчатые (Тайгинское месторождение графита).

В чешуйчатых графитах кристаллы имеют форму пластинок или листочков. Чешуйки их жирные, пластичные и имеют металлический блеск.

Графитовая шахта. Фото: born1945

Кристаллическая решетка графита состоит только из атомов углерода. Кристаллической решетке графита присуща ярко выраженная слоистая структура, расстояние между слоями 0,335 нм. В кристаллической решётке графита каждый атом углерода связан с тремя другими окружающими его атомами углерода. Кристаллическая решетка графита бывает двух типов: гексагональная (α-графит) и ромбоэдрическая (β-графит, метастабильная форма). Атомы углерода каждого слоя кристаллической решётки α-графита расположены напротив центров шестиугольников, находящихся в соседних (нижнем и верхнем) слоях; положение слоев повторяется через один, каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм (укладка АВАВА). В ромбоэдрической решетке β-графита положение плоских слоев повторяется не через один слой, как в гексагональной решётке, а через два. Несмотря на то, что β-графит метастабилен, в природном графите его содержание может доходить до 30%. При температурах 2230-3030°С ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный. Альфа-графит и бета-графит обладают сходными физическими свойствами (за исключением несколько отличающейся структуры графена).
Электропроводность кристаллов графита анизотропна: близка к металлической в направлении, параллельном базисной плоскости, и на порядок меньше в перпендикулярном направлении. Анизотропия характерна также для звукопроницаемости (акустических свойств) и теплопроводных свойств графита.

Свойства графита

Широкое применение графита основывается на нескольких уникальных свойствах:
- хорошая электропроводность;
- устойчивость к агрессивным средам;
- устойчивость к высоким температурам;
- высокая смазывающая способность.

Электрические свойства
Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 ом.

Термические свойства
Графит обладает большое теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и занимает место между палладием и платиной.
Коэффициент теплопроводности 0,041(в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных.
Температура плавления графита - 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм.
Точка кипения доходит до 4200 С.
Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, находится в пределах от 7832 до 7856 ккал.

Магнитные свойства
Графит считается диамагнитным.

Левитация графита. Фото: yellowcloud

Растворимость графита
Химически инертен и не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При растворении образуются карбиды, наиболее важными свойствами которых являются карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора.
При обычных температурах графит соединяется с другими веществами весьма трудно, но при высоких температурах он дает химические соединения со многими элементами.

Упругость графита
Графит не обладает эластичностью, но тем не менее он может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм 2 , а модуль изгиба равен 836 кг/мм 2 .

Оптические свойства
Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55.
Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям.
Благодаря этим свойствам имеется возможность создавать тонкие пленки при натирании графитом поверхности твердых тел.

Низкий коэффициент теплового расширения графита и связанная с этим высокая стойкость к температурным напряжениям, является решающим фактором применения его, как важного и незаменимого вспомогательного материала в металлообрабатывающей, чугунолитейной и сталелитейной промышленности, т.е. всюду, где рабочие поверхности должны предохраняться от прямого воздействия расплавленного металла. Важным преимуществом при таком использовании является также его несмачиваемость, полностью восстановленными металлами и нейтральными шлаками, прочность при высоких температурах. Применение графита при отливе деталей повышает качество отливов, уменьшает количество брака, и предупреждает образование пригара, на удаление которого требуется большие усилия и затраты.

Сырые литейные формы и стержни покрываются слоем сухого графитового порошка. Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической промышленности.
Графит прекрасный футеровочный материал электролизеров для получения алюминия. Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других тепловых агрегатов.

Применение графита

Природные графиты применяются во многих технологических и производственных процессах: огнеупоры (высококачественные, графито-магниевые, алюмо-графитовые), литейное производство, тормозные накладки, смазки, карандашное производство, тигли, гальванические батареи, щелочные аккумуляторы, порошковая металлургия, углеграфитовая материалы (электрощетки, электроугольные изделия, антифрикционные материалы), производство стали, терморасширенный графит, другие области (красящие и полирующие вещества),противоугарные материалы, детали для электротехники, магнитные ленты, производство промышленных алмазов, суспензии охлаждающие и смазывающие).

Графиты искусственные измельченные - предназначены для науглероживания чугуна и стали в мартеновском, кислородно-конверторном и электросталеплавильном процессах при выплавке стали с пониженной долей чугуна в шихте, для вспенивания шлаков в металлургических процессах, при изготовлении углеграфитовых материалов и изделий, в качестве наполнителя для графитопластов и как самостоятельные продукты в других потребляющих производствах.

Из графита готовятся тигли, лодочки для производства сверхтвердых сплавов.
В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства теплообменников, работающих в агрессивных средах.
А так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.
Отечественная промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные - гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи.

В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников.

Графит служит высокоогнеупорной отощающей добавкой в керамических массах. Тигельной массе он сообщает высокую огнеупорность, теплопроводность и термическую стойкость, придает тиглям гладкую поверхность, к которой плохо пристает расплавленный металл. Он восстанавливает при высоких температурах металлические окисли и препятствует окислению металла.

Наибольшее значение имеет производство графитовых плавильных тиглей, а также крышек к ним. Кроме того, из графита изготавливаются надставки и подставки к тиглям, тигли для специальных печей, реторты. Ванны для пайки, ванны для обжига карандашных стержней, графитокарборундовые муфели и другие изделия. В качестве высокоогнеупорного материала кристаллический графит применяется при изготовлении высококачественных высокоогнеупорных облицовочных изделий для кладки доменных печей, топок, паровых котлов.

(карбид железа; Fe 3 C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Структуры железоуглеродистых сплавов Чугуны

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

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, причем положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Применение

Cувенирный графитовый блок.

Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит - применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов

электродов , нагревательных элементов - благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).

Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:

Хорошая электропроводность, и как следствие - его пригодность для изготовления электрода
Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде - это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия.

твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках

наполнитель пластмасс

замедлитель нейтронов в ядерных реакторах

компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином)

для получения синтетических алмазов

для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин , электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов , а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт.

как токопроводящий компонент высокоомных токопроводящих клеёв

Литература

// Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
Klein, Cornelis and Cornelius S. Hurlbut, Jr. (1985) Manual of Mineralogy: after Dana 20 th ed. ISBN 0-471-80580-7