Графит, типы, марки, структура, свойства и применение

В промышленности используется натуральный графит, а также искусственные разновидности этого материала. Широкий спектр его применения обусловлен уникальными физико-химическими свойствами, которые могут несколько отличаться для различных марок и видов графита.

ВАЖНЕЙШИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГРАФИТА:

• Теплопроводность;
• Электропроводность;
• Расширение под воздействием тепла;
• Прочность;
• Растворяемость;
• Смачиваемость;
• Анизотропия свойств.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГРАФИТА:

• Натуральные виды этого материала отличаются высокой теплопроводностью (по данному показателю многие металлы проигрывают графиту). На нее влияет температура конечной обработки конкретной марки графита, однако средний показатель составляет 3,55 вт*градус/см, а коэффициент теплопроводности – 0,041. Необходимо отметить, что тонкие графитовые нити проводят тепло лучше, чем медные аналоги.
• При давлении 0,9-1 атмосфера графит закипает, достигая температуры 4200 градуса, а плавится при 3845-3890 градусах.
• Воспламеняются кристаллические разновидности материала в кислородной струе при 700-730 градусах Цельсия.
• Сжигание графита выделяет достаточное количество тепла – до 7856 ккал.

Что такое графит

Как выглядит графит, знает каждый. Это грифель-сердцевинка обычного простого карандаша:

• Минерал мягок, в чем несложно удостовериться: от неосторожного обращения карандаши ломаются.
• Жирноват на ощупь, наделен разной твердостью и плотностью, на что указывают марки карандаша – от мягкой до твердой.
• Цвета и оттенки – полная серая гамма с матовым или металлическим отблеском.

Возможность написания или рисования создает слоистая структура минерала.

Графит – это минерал, природная кристаллическая модификация углерода. Ближайшие родичи – алмаз, лонсдейлит, чароит. Их отличает структура. У графита она слоистая.

Графит можно превратить в алмаз, разогрев до 2000°C и поместив под давление в сотни атмосфер.

В природе «чистый» минерал не замечен, среди примесей обнаружены редкие, ценные металлы.

Налажено производство искусственного графита.

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.

Характеристики	Направление потока	Температура, °С
		20	200	400	600	800
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м°С) графита:
— кристаллический	||	354,7	308,2
— естественный	_|_	195,4	144,2	112,8	91,9	75,6
— прессованный	||	157	118,6	93,0	69,8	63,9
— искусственный с р=1,76 г/см3	_|_	104,7	81,4	69,8	58,2
— то же, с р=1,55 г/см3	||	130,3	102,3	79,1	63,9	53,5
Сопротивление разрыву σпц, МН/м2	||	14,2	15,2	15,9	16,5	17,6
	_|_	10,3	11,3	12,0	12,5	13,7
Модуль упругости Е, МН/м2	||	5880	7100	7350	7500	7840
	_|_	2700	3040	3200	3630	3920
Удельная теплоемкость с, кДж/(кг0С)	0,71	1,17	1,47	1,68	1,88
Электросопротивление рэ104, Омсм	16	13	11	10	9
Коэффициент линейного расширения α·106, 1/°С	||	7,2*1	8,5*2	10,0*3	13,0*4
	_|_	4,0*1	5,5*2	6,8*3	9,3*4
	||	1,8*1	1,55*2	1,45*3	1,40*4

История

История и время формирования графита остается загадкой для науки: он слишком похож на другие минералы по описанию.

Единственная зацепка – глиняная утварь культуры Боян-Марицы (территория современных Болгарии и Румынии, 6 тыс. лет назад). Изделия раскрашены графитовыми красками.

Графитом минерал предложил именовать Абраам Вернер. Этот прославленный химик, «окрестивший» десятки камней, взял за основу свойство минерала оставлять четкий красящий след.

Древнегреческий термин γράφω означает «пишу».

На территории России графит найден в 1826 году на Урале.

В истории, литературе минерал фигурирует также как черный/серебристый свинец, карбидное железо.

Стоимость материала

Реализацией графита и его смесей занимаются специальные организации, добывающие и получающие материал. Стоимость его находится на вполне приемлемом уровне и зависит от содержания углерода и габаритов кристалликов. У каждого сорта есть своя цена — чем больше в материале углерода, тем, соответственно, он дороже и имеет лучшие технические характеристики.

Продается графит как оптом, так и в розницу. Примечательно, что при оптовой покупке можно получить очень неплохую скидку.

Стоимость материала также зависит и от региона продажи. Средняя же цена составляет примерно 45−50 рублей за 1 кг. Графитовые изделия имеют большую стоимость.

Физико-химические характеристики

По химической номенклатуре минерал графит – это чистый углерод с формулой из одного символа (C).

Состав иногда дополняют абсорбированный газ, битум, вода, механические примеси.

Формула	C (углерод)
Цвет	Серый, чёрный стальной
Цвет черты	Чёрная
Блеск	Металловидный
Прозрачность	Непрозрачный
Твёрдость	1–2
Спайность	Совершенная по {0001}
Плотность	2,09–2,23 г/см³
Сингония	Гексагональная (планаксиальная)

Класс минерала по международной номенклатуре – самородный элемент. По систематике СССР это неметалл, но наделен характеристиками, присущими металлам, – электропроводностью, магнетизмом.

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).

Кристаллографические свойства

Точечная группа	6 mm — дигексагонально-пирамидальный
Пространственная группа	P63mc
Сингония	гексагональная
Параметры ячейки	a = 2.461Å, c = 6.708Å
Двойникование	по {1121}

Где и как добывается

Залежи графита промышленных объемов есть на всех континентах:

• Обе Америки – США, Канада, Бразилия;
• Европа – ФРГ, Гренландия, Италия;
• Австралия.

Сырье каждого графитового рудника можно отличить по структуре, цвету, другим признакам.

Россия располагает тремя крупнейшими месторождениями:

• Бурятия – качественное плотнокристаллическое сырье.
• Краснодарский край (два) – плотно-, мелкокристаллический, чешуйчатый, графитовые сланцы.

Графиты формируются каменноугольным пиролизом либо под влиянием экстремально высоких температур и давления. Например, излияниями магмы на отложения каменного угля.

Его добывают наземным или подземным способами. Графитовые кристаллы находят в сланцах, мраморах, других органических породах.

Ежегодный мировой объем добычи графита – 600 тыс. тонн.

Месторождения

Графитовая шахта

Востребованность графита в промышленности очень высока. На сегодня подсчитаны приблизительные запасы во всем мире в размере 600 млн тонн. Самые крупные месторождения графита находятся в Китае, Мексике, России, Чехии, Южной Корее и др. странах. Помимо перечисленных стран, графит добывают и на острове Шри-Ланка. Большие запасы этого минерала найдены и в Украине, в так называемом Завальевском месторождении. Обнаруженные выделения графита промышленно значимы и пользуются большим спросом.

Где и как добывается?

Графит добывают по всему миру. Рейтинг стран по запасам и добыче в мире представлен ниже.

1. Китай. Около 780 тыс. т в год. В 2022 году страна стала крупнейшим производителем этого минерала в мире. За год Китай добыл графита столько же, сколько за предыдущие 2 года. Геологическая служба США подсчитала, что на долю этой страны приходится 65% мирового производства и 35% потребления.
2. Индия. Добыто 150 тыс. тонн. Запасы месторождений варьируются от штата к штату. 43% запасов находятся в штате Аруначал-Прадеш. Всего в стране занято 8 компаний по добыче и производству графита.
3. Бразилия. Добыча составляет 90 тыс. тонн в год. Все ведущие компании-производители являются частными. Уровень добычи остается прежним, но есть предпосылки вытеснения с рынка компаниями из Китая и Индии.
4. Канада. Добывается 30 тыс. т графита в год. Спрос на канадский графит растет, особенно после заявления компании Тесла о закупке графита для производства батарей у компаний, сосредоточенных в Канаде.
5. Мозамбик. Добыча 23 тыс. тонн. Добыча графита в этой стране выросла с нулевых отметок в 2016 году до представленной в 2022. Темпы добычи постоянно наращиваются, рынок в этом регионе представлен двумя компаниями.

Остальные страны добывают менее 20 тыс. тонн в год. Десятку стран замыкают Россия (6 место), Украина, Пакистан, Норвегия и Мадагаскар. В сумме эти страны добывают около 63 тыс. т графита в год. Рынок графита в мире постоянно растет. Связано это с переходом на электрические батареи во многих отраслях промышленности. Резкий подъем производства электромобилей по всему миру производит стимулирование спроса на графит.

Потребление в мире росло с 2013 по 2022 год, затем случилось понижение спроса на этот минерал. Цены снизились на уровень 2017 года, так как произошел переизбыток предложений и компании снизили производство для стабилизации мировых цен на минерал.

Разновидности

Природный графит многообразен, поэтому разработана классификация по нескольким признакам.

По составу и сферам применения:

• Коллоидный. Техническая разновидность, порошок из искусственного графита. Используется промышленностью.
• Пиролитический. Материал искусственного происхождения. Нашел применение как основа инструментария для исследований микроструктур.
• Силицированный. Графит, обогащенный кремнием. Устойчив к коррозии.

Природный графит по структуре подразделяют на волокнистый, плотнокристаллический, чешуйчатый, графитовый сланец. Выделяют также разновидности – графитит и графитовую слюдку.

Искусственный графит

Графит синтезируют из кокса и пека. Это продукты переработки каменного угля, нефтяных смол, угольного дегтя. На них воздействуют химически и механически при высоких температурах. Исходное сырье предварительно сортируют, затем прокаливают, пропитывают. Получается материал почти абсолютной чистоты.

Искусственный графит применяют везде, от безобидного пластика до ядерного оборудования. Самые востребованные марки:

• аккумуляторный;
• карандашный;
• литейный;
• смазочный;
• электроугольный;
• элементный;
• ядерный.

Под каждую марку, сферу использования графита подбирается точная пропорция пека и кокса.

Отличить рукотворные образцы несложно. Например, по треугольной штриховке на плоскостях. Она есть только у минерала природного происхождения.

Основные марки

На сегодняшний день используется возможность синтеза с разной величиной зерна. В итоге графит можно классифицировать на:

• крупнозернистый;
• среднезернистый;
• мелкозернистый;
• тонкозернистый.

Элементы первого достигают в диаметре 3 000 мкм. Если речь идет о среднезернистой разновидности, то величина зерна равна 500 мкм. Различается мелкозернистый графит марки МПГ с величиной зерна до 50 мкм. Существует еще и мелкозернистый изотропный минерал марки МИГ-1, частицы которого имеют размеры от 30 до 150 мкм. Тонкозернистый графит и изостатический графит имеют зерна величиной до 30 мкм, их минимальный диаметр составляет 1 мкм.

Где используется

Графит почти универсален. В этом нет ничего необычного: необходимые характеристики закладываются на стадии его обработки. Так, одним требуется повышенная теплопроводность, другим – электропроводность. Третьих интересуют прочностные свойства графита.

С учетом кондиций готового продукта минерал востребован для следующих целей:

• Производство тугоплавких емкостей.
• Смазка при выплавке стали, сплавов.
• Стержни ядерных реакторов на АЭС, других агрегатах.

  
  Сувенирный графитовый блок

• Добавка к составу пластиковых изделий, огнеупоров (керамики, кирпича).
• Исходник частей электроприборов, подшипников, автомобильных рессор.
• Краска, используемая промышленностью и в быту как защитное покрытие от ржавчины.
• Сырье при изготовлении искусственных алмазов.
• Ингредиент лекарств, пищевых парафинов, эфирных субстанций, спиртов, сахара.

Самое известное применение графита – сердцевина карандашей.

Московские ученые создали из графита лекарство для лечения кожных заболеваний.

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

Молекулярный вес	12.01 г/моль
Происхождение названия	от др.-греч. γράφω — записывать, писать
IMA статус	действителен, описан впервые до 1959 (до IMA)

Лечебное влияние

Первыми оценили графит гомеопаты. Они установили, что минерал подходит для лечения кожных патологий (экземы, псориаз, лишай, другие).

Сегодня список расширен:

• Нарушение обмена веществ.
• Сбой в работе щитовидной железы.
• Заболевания дыхательных путей (ринит, бронхиальная астма).
• Проблемы ЖКТ (гастрит, язва желудка, 12-перстной кишки, колиты).
• Женские недуги (аменорея, хроническое воспаление яичников, мастопатия).
• Конъюнктивит, катаракта, ячмень.

Минерал «курирует» также эмоциональное здоровье. Его прописывают при утренней головной боли, неврастении, апатии, депрессии.