Графит — описание графита, свойства, добыча, применение, производство

Графит

— минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита. Различают месторождения кристаллического графита, связанного с магматическими горными породами или кристаллическими сланцами, и скрытокристаллического графита, образовавшегося при метаморфизме углей.

1. Структура
2. Свойства
3. Морфология
4. Происхождение
5. Применение
6. Классификация
7. Физические свойства
8. Оптические свойства
9. Кристаллографические свойства

Смотрите так же:

Агат

– цена и лечебные, магические свойства

Физические свойства и структура алмаза

СТРУКТУРА

Гексагональная кристаллическая полиморфная (аллотропная) модификация чистого углерода, наиболее устойчивая в условиях земной коры. Слои кристаллической решетки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный вид симметрии), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический в.с.). Кристаллическая решетка графита – слоистого типа. В слоях атомы С расположены в узлах гексагональных ячеек слоя. Каждый атом С окружен тремя соседними с расстоянием 1,42Α

Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный P63/mmc) и β-графит (ромбоэдрический R(-3)m). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

Переработка

Промышленная переработка графита позволяет получить не только разные марки графита, но и готовые графитные изделия. Товарные виды этого минерала производятся путем запуска процесса обогащения графитсодержащих руд. Исходя из степени очистки, полученный графитовый концентрат будет классифицирован на марки, использующиеся в промышленности, а также по сферам использования.

Переработка в терморасширенный графит

Сперва кристаллический графит проходит процесс окисления. Этот процесс заключается во внедрении молекул и ионов азотной или серной кислоты в межслойное пространство кристаллической решетки перерабатываемого минерала. После окисления графит проходит мойку и последующую сушку для удаления остатков воды. На следующем этапе минерал проходит термическую обработку при температуре в 1000 градусов и с высокой скоростью нагрева. За счет очень быстрого нагрева минерала запускается процесс выделения газов и разложение молекул серной кислоты, внедренных в межслойное пространство кристаллической решетки минерала.

Выделение газообразных веществ помогает создать избыточное расклинивающее давление в 400 атмосфер в межкристаллическом пространстве. В итоге образуется терморасширенный графит, имеющий высокую удельную поверхность и низкую насыпную плотность. В случае использования серной кислоты при создании этого искусственного минерала в готовом материале остается определенное остаточное количество серы. На следующем этапе готовый терморасширенный графит прокатывается, в некоторых случаях дополнительно армируется и прессуется с добавлением специальных присадок для получения готовых изделий.

Для получения различных марок искусственного графита

В процессе производства синтетического графита зачастую применяется нефтяной кокс, выступающий в качестве структурного наполнителя, а также каменноугольный пек, использующийся в роли связующего вещества. В конструкционных видах искусственного минерала применяется в качестве специальной добавки сажа и графит природного происхождения. Также в качестве связующего компонента вместо пека могут использоваться различные искусственные смолы (фурановые, фенольные и так далее).

Процесс производства синтетического графита состоит из следующих технологических промышленных этапов:

• кокс подготавливается к производственному процессу, он проходит предварительное измельчение путем дробления, прокалывается, а также рассеивается по отдельным фракциям;
• подготавливается связующее вещество;
• приготавливается углеродистая масса;
• формируются зеленые необожженные заготовки в глухую матрицу;
• заготовки проходят обжиг;
• осуществляется процесс графитации ранее обожженных заготовок;
• на завершающем этапе заготовки проходят механическую обработку для получения формы готового изделия.

Для получения композиционных материалов

На сегодняшний день современная промышленность изготавливает антифрикционные углеродистые материалы таких марок, как:

• обожженные антифрикционные материалы марки АО;
• графитированные и антифрикционные материалы марки АГ;
• материалы с баббитовой, оловянной и свинцовой пропиткой;
• графитопластовые материалы марок АФГМ, АФГ-80ВС, 7В-2А, КВ, КМ, АМС.

Подобные материалы изготавливаются из неятного кокса, не проходящего процедуру прокаливания, а также угольного пека с добавлением графита природного происхождения. С целью повышения плотности материала используют методику его пропитки металлами.

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 278,4 до 2435 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.

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.

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.

МОРФОЛОГИЯ

Хорошо образованные кристаллы редки. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые, кривогранные, обычно имеют пластинчатую несовершенную форму. Чаще бывает представлен листочками без кристаллографических очертаний и их агрегатами. Образует сплошные скрытокристаллические, листоватые или округлые радиально-лучистые агрегаты, реже – сферолитовые агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто наблюдается треугольная штриховка на плоскостях (0001).

История

Сувенирный графитовый блок.
По визуальным свойствам и описанию графит имеет схожесть с другими минералами, поэтому отследить дату его первого открытия невозможно. Известно одно, что порода существовала как минимум 6000 лет назад. Об этом свидетельствует глиняная посуда Боян-Марицы – культурного поселения, располагавшегося на территории нынешней Румынии и Болгарии. Изделия, изготовленные приблизительно 4000 лет до нашей эры, покрыты графитовыми красками.

Имя графиту дал немецкий геолог Абраам Готлоб Вернер за его свойство оставлять красящий след. На древнегреческом языке «графит» обозначает «пишу».

В России графит впервые был обнаружен в 1826 году на территории Уральских гор. Ранее минерал также именовали карбидным железом и черным свинцом.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах – кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов. Сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель.

Месторождение графита

Графит очень востребован в промышленной сфере. Около 600 млн тонн считаются запасами всего мира, а ежегодно его добывают 600 тысяч. Самыми крупными странами, которые занимаются добычей этого минерала являются: Мексика, Россия, Китай, Чехия, Южная Корея, Канада и др.

Помимо стран, указанных выше, существуют и другие крупные месторождения графита. Например, остров Шри-Ланка, с 1834 года — это крупный производитель и поставщик данного минерала. Точки полезных ископаемых находятся по всему острову, а залежи графита сконцентрированы в центральной и юго-восточной частях. Представлены две добываемые породы: Хайленд (гранулиты, кварцы, чарнокиты) и Саутвест (гнейсы, кальцифиры).

Чешуйчатые залежи графита в огромной доле находятся на Украине, в Завальевском месторождении. Эта доля связана с архейскими образованиями Тетерево-Бугской серии. Серия представлена силлиманитовыми и гранатовыми гнейсами, кварцами, кристаллическим известняком и т.д. Добываемые минералы имеют промышленное значение и так же пользуются спросом.

ПРИМЕНЕНИЕ

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. Применяется в электродах, нагревательных элементах — 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, твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках, наполнитель пластмасс.

Является замедлителем нейтронов в ядерных реакторах, компонентом состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином). Используется для получения синтетических алмазов, в качестве эталона длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа, 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, для изготовления тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов.

Графит (англ. Graphite) – C

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.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Технологии получения

Практически все изделия из графита перед конечным использованием подвергаются операциям переработки. Способ получения определяет и разновидность графитового материала. Как правило, разница в методах обуславливается как раз температурным воздействием. Так, посредством нагрева смеси пека и кокса получают ачесоновский графит. Температура плавления и кипения в этом случае будет составлять 2800 и 4200 °C соответственно. Термомеханическая методика обработки коксовой смеси предусматривает воздействие с теми же показателями нагрева – разница заключается лишь в применении карбидообразующих компонентов. Низкими показателями температурной обработки отличается пиролизный метод. В этом случае природный графит модифицируется из газообразных углеводородов в вакууме при 1500 °C. При этом распространены и охлаждающие методы переработки базовых смесей для получения графита. К таким технологиям относится доменная, в процессе которой происходит медленное охлаждение чугунных масс.

Разновидности

Среди природного графита различают несколько видов:

• тигельный;
• кристаллический литейный;
• аккумуляторный;
• для производства карандашей (тонкодисперсный, серый);
• элементный (для гальванических элементов);
• электроугольный.

Природный графит делят и по форме залегания в земной коре:

• шунгит (уже не каменный уголь, но еще и не графит);
• графитит (аморфная разновидность минерала);
• графитовая слюдка (второе название графита).

Лечебное воздействие

В народной медицине графит востребован благодаря его целебным свойствам. Его используют для:

• лечения кожных заболеваний – псориаза, экземы, дерматитов, лишая;
• устранения психоэмоциональных расстройств – неврастении, депрессии, необоснованного страха;
• лечения бесплодия у женщин и расстройств репродуктивной системы организма;
• лечения заболеваний уха, глаз, органов дыхания;
• нормализации работы пищеварительной системы;
• улучшения обмена веществ;
• поддержания щитовидной железы.

Минерал активно используют в гомеопатии под названием Graphites.

Где применяется

Сфера применения графита очень обширна. Минерал используют в качестве сырья для изготовления:

• огнеупорного кирпича и керамики, пластиковых изделий;
• стержней ядерных реакторов, используемых на АЭС и прочих установках;
• жаропрочных емкостей;
• антикоррозийных покрытий (красок, эмалей);
• подшипников, электрических приборов;
• карандашей;
• смазки при производстве сталей;
• искусственных алмазов.

Графит также добавляют в лекарства, спирт, сахар, парафин.

Графит по зодиаку

Современные астрологи утверждают, что графит подходит преимущественно только овнам. Это связано с тем, что для обладателей этого знака зодиака характерны следующие черты: жёсткий характер, импульсивность, вспыльчивость и агрессивность. Овны часто зацикливаются на себе, они не умеют идти на компромисс и всегда отстаивают свое мнение, даже если не правы. В обществе овнам бывает сложно найти общий язык с людьми из-за своей эксцентричности.

Талисман с графитом помогает овнам стать более мягкими по характеру и понимающими. Камень забирает накопившуюся злую энергетику и преобразует её в положительную.

Кроме того, графит подходит скорпионам, так как они достаточно злопамятны и мстительны, любят все держать под контролем и ассоциируются, как правило, с напором агрессии и амбиций. Этим знакам зодиака графит подарит такое качество, как отходчивость и умение идти на компромисс.

Влияние графита на остальные знаки зодиака незначительно.

Хранение и уход

У графита низкий показатель твердости и чрезмерно высокая хрупкость. Основным условием для хранения этого минерала является исключение даже незначительного механического воздействия. Его категорически нельзя ронять и сдавливать. Коллекционные экземпляры рекомендуется приобрести в специальном боксе.

Графит устойчив к воздействию химических веществ, поэтому в случае загрязнения его можно мыть с помощью моющих средств. После ополаскивания камень следует оставить на открытом воздухе до полного просушивания.