Каталог
  

Материал графит


Свойства графита: плотность, марки

Свойства графита 21 Мар 2017 doncarb.com

Графит – материал, которым пользовались для создания рисунков и надписей еще 4000 лет назад. Его название происходит от древнегреческого слова «графос» – «писать».

Месторождения графита расположены там, где залежи каменного угля или битумов подверглись действию высоких температур (при выходе лавы на поверхность). Кристаллическая решетка минерала состоит из атомов углерода. Но связи между слоями слабые, поэтому при соприкосновении материала с любой поверхностью остается темно-серый след из микроскопических чешуек.

Добыча натурального минерала достаточно затратна: на некоторых месторождениях в породе содержится 6–10% графита. Современные технологии позволяют синтезировать материал, по многим параметрам превосходящий натуральный.

Свойства графита

Низкая твердость минерала объясняется слабыми связями между атомными слоями: ему присвоен всего 1 балл по шкале Мооса (твердость алмаза, другой аллотропной формы углерода, оценена в 10 баллов).

Полезные свойства графита, используемые в промышленности:

  1. Электропроводность. От большинства металлов минерал отличается тем, что при повышении температуры его электропроводность возрастает. По этому показателю он в 2,5 раза превосходит ртуть.
  2. Теплопроводность минерала составляет 3,55 Вт*град/см, коэффициент теплопроводности – 0,041. Материал проводит тепло лучше меди.
  3. Инертность. Большинство агрессивных кислот, щелочей и солей не растворяют графит. Материал интенсивно окисляется на воздухе при температуре выше 750 K.
  4. Термостойкость. Минерал способен выдерживать значительные колебания температуры. Он не плавится, но при температуре 3900 K и давлении 0,9–1 атм переходит из твердого состояния в газообразное (сублимирует).
  5. Механическая прочность материала увеличивается при повышении температуры до 2700 K, затем начинает понижаться.

Из-за того, что связи между атомами в слое гораздо прочнее, чем между слоями, некоторые свойства графита (электропроводность, теплопроводность) носят анизотропный характер: в направлении, перпендикулярном атомным слоям, сопротивление в несколько раз выше, а теплопроводность ниже, чем в параллельном.

Производство искусственного графита

Искусственный графит отличается от натурального тем, что при синтезе можно получить материал с заранее заданными параметрами. Кроме того, его изготавливают из отходов производства: каменноугольного пека и нефтяного кокса.

Смесь мелких фракций формуют (пропорции зависят от марки графита), полученные заготовки обжигают при температуре 800–1200°C. Процесс обжига и последующего охлаждения занимает 3–5 недель. Чтобы увеличить плотность графита, заготовки дополнительно пропитывают пеком. Последний этап – графитация: термическая обработка заготовок в специальной печи при температуре 2400–3000°C. При графитации формируется кристаллическая решетка материала. Такой графит обладает максимальной электропроводностью и теплопроводностью.

Анизотропность свойств присуща искусственному графиту полученному методом экструзии. Более новая технология: изостатическое прессование, – позволяет изготовить материал с изотропными свойствами и низким коэффициентом трения. Если плотность графита, синтезированного по методу экструзии, составляет 2,0–2,23 г/см³, то аналогичный показатель для изостатического рекристаллизованного графита может, в зависимости от марки, варьироваться от 1,85 до 5 г/см³. Из такого материала производят крупногабаритные заготовки (длиной свыше 1000 мм, диаметром более 500 мм) для изготовления литейных форм и деталей, обладающих антифрикционными свойствами.

Марки графита

Существует возможность синтеза материала с разной величиной зерна:

  • 500–3000 мкм – крупнозернистый графит, марка ЭГ, ГЭ;
  • 150–500 мкм – среднезернистый, марки ППГ, ВПГ, В-1;
  • 30–50 мкм – мелкозернистый, марки МПГ, МГ, АРВ;
  • 30–150 мкм – мелкозернистый изотропный, марка МИГ-1;
  • 1–30 мкм – тонкозернистый, марка МИГ-2 и изостатические графиты.

Искусственный графит широко применяется во всех отраслях промышленности. К примеру, из крупнозернистого материала делают электроды. Мелкозернистый конструкционный графит марок АРВ, МГ используют при изготовлении фасонных изделий сложной формы. Применение искусственного графита позволяет достичь высочайшей точности при изготовлении различных деталей и производить технику, соответствующую стандартам XXI века.

Возврат к списку



Заказать Справочник материалов

doncarb.com

Мир современных материалов - Графит

 Графит представляет собой аллотропную форму углерода. Он имеет гексагональную кристаллическую решетку (рис. 1). В монокристалле графита атомы углерода расположены в параллельных слоях (базисных плоскостях). В каждом слое атомы связаны между собой сильной гомеополярной связью; в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, связь примерно в шесть раз слабее. Вследствие такой структуры графит обладает анизотропией физических и электрических свойств. Некоторые свойства графита приведены в табл. 1.

 

Рис. 1. Структура монокристалла графита.

Электропроводность графита в направлении базисной плоскости близка по своей природе к электропроводности металлов: удельное сопротивление в этом направлении невелико, температурный коэффициент удельного сопротивления положителен. В направлении, перпендикулярном базисной плоскости, удельное сопротивление значительно выше, а температурный коэффициент удельного сопротивления отрицательный.

Таблица 1. Свойства графита и пиролитического углерода

Свойство

Монокристалл графита

Поликристаллический графит

Пиролитический углерод

вдоль плоскостей

поперек плоскостей

Плотность d, Мг×м-3

2,24

2,24

2,26

2,07

Температурный коэффициент линейного расширения α×106, К-1

6,6

26

7,5

6,5-7

Удельное сопротивление р, мкОм×м

0,3-0,5

100

8

10-20

Температурный коэффициент удельного сопротивления αρ×104 , К-1

+ 9

-400

-10

-2

Примечание. В таблице приведены свойства пленок пиролитического углерода толщиной более 100 нм, полученных при температуре не ниже 900 °С. Так же, как и у пленок металлов, ρ и αρ пленок пиролитического углерода зависят от их толщины.

Твердость графита в направлении, параллельном слоям, около 1 (по минералогической шкале), в направлении, перпендикулярном слоям,— 5 и более. Температура плавления графита 3850±50 °С, однако его интенсивное испарение начинается в вакууме при 2200 °С.

Вследствие слабой связи между слоями отдельные слои легко скользят относительно друг друга, поэтому его применяют в качестве сухой смазки между трущимися деталями.

В технических (поликристаллических) графитовых материалах размеры кристаллов меняются в очень широких пределах. Графиты, имеющие кристаллы размером больше 1 мкм, называют явно кристаллическими. Кристаллы могут плотно прилегать друг к другу (плотиокристаллические графиты) или иметь форму чешуек, слабо связанных друг с другом (чешуйчатые графиты). Графиты с кристаллами 1...0,1 мкм еще называют скрытокристаллическими. Такое разнообразие структуры, а также наличие различных примесей вызывают значительный разброс свойств у графитовых материалов и изделий из них.

Пиролитический углерод получают при термическом разложении паров углеводородов в вакууме и в среде инертного газа. По своим свойствам и структуре пиролитический углерод приближается к графиту. Его кристаллическая структура отличается от структуры графита несколько меньшим расстоянием между атомами углерода в базисной плоскости (0,13 нм вместо 0,142 нм) и отсутствием строгой периодичности в расположении атомных слоев. Расстояния между параллельно расположенными слоями несколько больше, чем у монокристаллов графита, и достигают значения 0,37 нм. Пиролитический углерод состоит из отдельных поликристаллических конгломератов, образующихся на поверхности керамического основания. Размеры кристаллов, их структура и степень упорядоченности пленки зависят от технологии получения.

Сажа — продукт неполного сгорания или термического разложения углеродосодержащих веществ при отсутствии воздушной среды. Реакция получения сажи аналогична реакции получения пиролитического углерода, но осаждение происходит при более низкой температуре, что обусловливает более мелкозернистую структуру (сажу называют также коллоидным углеродом). Отличие в свойствах сажи от графита объясняется не только размерами частиц, но и тем, что в саже графитовая структура еще не вполне сформирована. Большое влияние на свойства сажи оказывают примеси.

Частицы сажи имеют приблизительно сферическую форму и состоят из беспорядочно расположенных «пакетов» плоских атомных слоев, подобных базовым слоям в структуре кристалла графита. Однако расположение слоев в «пакете» (кристаллите) не имеет, как в графите, регулярного характера, поэтому структура сажи не может быть отнесена ни к аморфной, ни к кристаллической, ее называют мезаморфной или турбострактной. Кристаллы в частице сажи связаны сильными валентными связями.

Особенностью некоторых видов сажи является их способность к структурообразованию — формированию более или менее длинных цепочек из отдельных частиц, связанных между собой посредством незаполненных валентных связей. Способность к структурообразованию, как правило, возрастает с увеличением степени дисперсности сажи и с уменьшением количества летучих примесей. Эта (вторичная) структура сажи сравнительно легко разрушается механическим воздействием, но частично восстанавливается после его снятия.

Литература:

Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева.—Т. 3.— 3-е изд., перераб.— Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.— 728 с.

worldofmaterials.ru

Какая плотность графита? Графит: свойства, плотность

Графит представляет собой минерал, устойчивую кристаллическую модификацию углерода. Она сохраняет свои первоначальные свойства при стандартных условиях. Материал является огнеупорным, достаточно плотным и обладает высокой электропроводностью. Получается он нагреванием антрацита без доступа воздуха. Используется в литейном производстве, при изготовлении стали, а также для смазки при прокатном производстве. Но эти сферы не охватывают всех областей использования.

Основные свойства

Если вас заинтересовал вопрос о том, какова плотность графита, вы должны знать, что этот параметр составляет 2230 кг/м3. Еще одной аллотропной формой углерода является алмаз, поэтому графит иногда сравнивают с ним. Последний обладает электропроводными характеристиками и выступает в качестве полуметалла. Это свойство нашло свое применение в процессе производства электродов.

Плотность графита – это не все, что следует знать, если вас заинтересовал этот минерал. Необходимо поинтересоваться еще и другими свойствами. Например, эта кристаллическая модификация углерода не плавится, а при воздействии температуры в 3500 °C возгорается. Жидкую фазу материал минует, переходя в газообразное состояние.

Однако если условия будут предусматривать повышение давления до 90 МПА, а также температуры, то можно добиться расплавления. Это открытие было сделано при изучении свойств алмаза, когда его пытались синтезировать. Но получить этот материал из расплавленного графита не удалось.

Кристаллическая решетка

Кристаллическая решетка графита предусматривает наличие атомов углерода. Ей присуща слоистая структура. Расстояние между отдельными слоями может достигать 0,335 нм. В решетке атомы углерода связываются с тремя другими атомами углерода.

Решетка может быть гексагональной и ромбоэдрической. В каждом слое атомы углерода располагаются напротив центральных частей шестиугольников. Последние находятся в соседних слоях, затем положение слоев повторяется, что происходит через один.

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.

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.

Использование искусственного графита

Плотность графита вам уже известна. Однако важно изучить еще и область использования искусственной разновидности. Она применяется во всех отраслях промышленности. Из крупнозернистого изготавливают электроды. Мелкозернистый конструкционный идет на производство фасонных изделий, которые обладают сложной формой.

Применение искусственного минерала позволило добиться высокой точности при изготовлении деталей. Сегодня выпускается техника, которая полностью соответствует стандартам нынешнего века.

Дополнительная информация о плотности и тепловом расширении

В зависимости от добавки, наибольшая плотность графита может составить 5 г/см3. Минимальное значение равно 2. Оно присуще рекристаллизованному графиту. Монокристаллы обладают высокой анизотропией, это обусловлено строением кристаллической решетки. В базисных плоскостях тепловое расширение является отрицательным до 427 °C. Это говорит о том, что минерал сжимается.

С повышением температуры его абсолютное значение уменьшается. При вышеупомянутом уровне температуры тепловое расширение является положительным. Оно направлено перпендикулярно базисным плоскостям. Температурный коэффициент расширения почти не зависит от температуры и превышает значение больше чем в 20 раз по сравнению со средним абсолютным коэффициентом для базисных плоскостей.

Что еще необходимо знать о прочности

Прочность и плотность графита изменяются с увеличением температуры. Для большинства искусственных графитов прочность при растяжении с повышением температуры возрастает в 2,5 раза. Максимума значение достигает при 2800 °C.

Предел прочности при сжатии увеличивается в 1,6 раза, когда температура достигает 2 200 °C. Модули сдвига и упругости возрастают в 1,6 раза, когда температура достигает значения в 1 600 °C.

В заключение

Форма определяет разновидности графита, который может быть: пластинчатым, хлопьевидным и шаровидным. Хлопьевидный еще называется углеродом отжига. Графит – это еще и микроструктурная составляющая ковкого, серого высокопрочного чугунов и чугуна с вермикулярным графитом. В этом случае он состоит из углерода и предопределяет специфические свойства чугуна.

Этот материал использовался для создания надписей и рисунков около 4 000 лет назад. Его название происходит от слова «писать». Месторождения расположены там, где залежи битумов и каменного угля подверглись действию высоких температур.

fb.ru


Смотрите также