Muqaddima
Grafit - muhim metall bo'lmagan mineral resurs bo'lib, o'ziga xos ikki tomonlama metall va metall bo'lmagan-xossalarga ega. U "XXI asrda yuqori{3}}texnologiyalar rivojlanishini qo'llab-quvvatlovchi strategik resurs" sifatida tanilgan va uzoq vaqtdan beri "qora oltin" sifatida e'tirof etilgan. Yuqori{6}}tozalikdagi grafit deganda uglerod miqdori 99,99% dan ortiq boʻlgan grafit tushuniladi. U mukammal o'z{9}}moylash, yuqori quvvat, yaxshi elektr o'tkazuvchanlik, kislota/ishqor/korroziya/issiqlikka chidamlilik, past kengayish koeffitsienti, ajoyib kimyoviy barqarorlik, yuqori muhrlanish ko'rsatkichi, bir xil va ixcham tuzilishga ega. U elektrotexnika, metallurgiya, milliy mudofaa, aerokosmik, energetika, kimyo sanoati va boshqa sohalarda keng qo'llaniladi. Xususan, uchinchi avlod yarimoʻtkazgich materiallarini tayyorlash, atom sanoati va fotoelektrik sanoat kabi rivojlanayotgan tarmoqlarda hal qiluvchi va hal qiluvchi rol oʻynab, Xitoy iqtisodiyotiga-katta taʼsir koʻrsatadi.
1. Grafit rudasining xossalari
Grafit - uglerod elementlaridan tashkil topgan, metall yorqinligi va anizotropiyasi bilan yorqin qora rangdagi mineral. Uning zichligi 2,09-2,23 g/sm³, erish nuqtasi 3850 daraja, qaynash nuqtasi 4250 daraja, issiqlikni yutish qobiliyati 6,9036 × 10⁷ J / kg, mukammal termal barqarorlikni ko'rsatadi.
2. Yuqori-Tozalikdagi grafit
2.1Tabiiy yuqori{1}}Tozalikdagi grafit
Xom ashyo va tayyorlash usullariga qarab, yuqori{0}}tozalikdagi grafitni tabiiy yuqori{1}}tozalikdagi grafit va sintetik yuqori{2}}tozalikdagi grafitga bo‘lish mumkin.
Tabiiy yuqori{0}}tozalikdagi grafit o‘zining ajoyib elektr va issiqlik o‘tkazuvchanligi tufayli turli sohalarda keng qo‘llaniladi, masalan, o‘tga chidamli materiallar, zangga qarshi qoplamalar, uglerod elektrodlari, generatorlar, moylash materiallari va yadro sanoatida himoyalovchi materiallar. Yagona morfologiyasi va zarracha oʻlchami taqsimotiga ega boʻlgan yuqori{3}}tozalikdagi sintetik grafit oldindan pishirilgan anodlar, maxsus grafit, yadro sanoati va boshqa sohalarda qoʻllaniladi. Yuqori tozalikdagi grafitni tayyorlash usullari turli xomashyolarga-bir-biridan farq qiladi.
Tabiatda sof grafit yo'q. Grafit rudasi ko'pincha SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO, P₂O₅, CuO kabi aralashmalarni o'z ichiga oladi, ular odatda kvarts, pirit, karbonat kabi minerallar, shuningdek, suv, asfalt, CO₂, H₂, N₂ va N₂ kabi gazsimon komponentlar sifatida mavjud. Shuning uchun grafitni tahlil qilish nafaqat qattiq uglerod tarkibini, balki uchuvchi moddalar va kul tarkibini ham aniqlashni talab qiladi. Grafitni tozalash jarayonlari ushbu aralashmalarni samarali ravishda olib tashlashga qaratilgan. Grafitning tozaligi qanchalik yuqori bo'lsa (ya'ni, uglerod miqdori qanchalik yuqori bo'lsa), uning qiymati shunchalik yuqori va qo'llash doirasi kengroq bo'ladi.
Tabiiy grafitdan yuqori-tozalikdagi grafitni tayyorlash, odatda, grafit rudasini flotatsiya yoʻli bilan birlamchi tozalashni, flotatsion kontsentratni ishqor{1}}kislota yoki gidroftorik kislota usulida keyingi tozalashni va nihoyat, yuqori{2}}tozalikdagi grafitli mahsulotlarni yuqori{3}{1}}{4}{{3}- haroratli yoki yuqori haroratli usulda olishni oʻz ichiga oladi.
2.2 Sintetik yuqori{1}}Soflikdagi grafit
Sintetik grafit, odatda, agregat sifatida yuqori sifatli neft koksi va qatron koksidan foydalangan holda, biriktiruvchi va boshqa aksessuarlar sifatida koʻmir smolasini qoʻshib, yuqori{1}}temperaturali grafitlash jarayonlari ketma-ketligidan soʻng ishlab chiqarilgan grafit materiallariga taalluqlidir. Umuman olganda, xom ashyo oldindan qayta ishlanadi, so'ngra grafitizatsiya va tozalash uchun maxsus yuqori{3}}haroratli reaktorga joylashtiriladi. Asosiy o'choq turlariga Acheson grafitizatsiya pechlari, ichki seriyali grafitizatsiya pechlari va uzluksiz grafitizatsiya elektr pechlari kiradi. Pechdagi ultra-yuqori harorat neft koksi va pitchkoksni grafitlashtiradi va galogen gaz aralashmalar bilan reaksiyaga kirishadi, so‘ngra ular gazlashtiriladi va yuqori{7}}tozalikdagi grafit olish uchun uchuvchi holga keltiriladi.
Neft koksi va pitchkoks tarkibidagi aralashmalarning bir qismi sintetik yuqori{1}}tozalikdagi grafit ishlab chiqarishda yuqori{0}}haroratli kalsinlash jarayonida olib tashlanishi mumkin bo‘lsa-da, neft koksi xom ashyosi tarkibidagi oltingugurt va kul tarkibiga aniq talablar qo‘yiladi. Yuqori{3}}oltingugurtli xom neftdan foydalanish ortib borishi bilan yuqori-oltingugurtli neft koksi ham oshib bormoqda. Sintetik yuqori{7}}tozalikdagi grafit ishlab chiqarish uchun neft koksining past-oltingugurtga boʻlgan talabini qondirish uchun koʻplab olimlar-neft koksini oltingugurtdan tozalashning oqilona va samarali jarayonlari boʻyicha chuqur tadqiqotlar olib bordilar.
Grafitning tozaligi grafitni chuqur qayta ishlash{0}}mahsulotlarining xizmat ko'rsatish samaradorligini va keng qamrovli xususiyatlarini aniqlaydi. Tozalik qanchalik yuqori bo'lsa, dastur qiymati shunchalik yuqori bo'ladi. Masalan:
Litiy-ionli batareyalar uchun anod materiali sifatida grafit{0}}99,98% dan yuqori tozalikni talab qiladi;
Sintetik sun'iy olmos uchun tabiiy grafit 99,999% dan yuqori tozalikni talab qiladi, bor miqdori 0,01 × 10⁻⁶ dan past;
Aerokosmik, milliy mudofaa va yadro sanoati uchun maxsus grafit 99% ~ 99,99% yoki undan yuqori tozalikni talab qiladi;
Uchinchi avlod yarimo‘tkazgichli SiC gofretlarini sintez qilish uchun -grafit kukuni 99,9995% yoki undan yuqori tozalikni talab qiladi.
Grafitni tozalash barcha grafit materiallarini tayyorlash uchun asos bo'lib, grafit materiallarini ishlab chiqishda umumiy muammo hisoblanadi. Kam energiya iste'moli, yuqori quvvat va past ifloslanish bilan grafitni tozalash jarayonlari hozirgi ilmiy-tadqiqot ishlarining diqqat markazida.
3. Grafitni tozalash texnologiyalari
3.1 Flotatsiya usuli
Tabiiy grafitning yaxshi suzuvchanligidan foydalangan holda, ko'p bosqichli oqimlarga ega flotatsiya jarayonlari tabiiy grafit rudasidagi kaolin, kvarts va slyuda kabi minerallardan parchalangan grafit yoki mikrokristalin grafitni ajratish uchun mo'ljallangan. Bu texnologiya 20% dan past boʻlgan tabiiy grafit rudasini 95% tozalikdagi grafit konsentratiga boyitishi mumkin, bu esa asosan tabiiy yuqori{4}}soflikdagi grafit ishlab chiqarish uchun xom ashyo sifatida ishlatiladi.
3.2 Ishqor{1}}Kislota usuli
Tozalash jarayoni gidroksidi sintezi va atsidolizni o'z ichiga oladi. Ishqor sintezida grafit tarkibidagi Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, MgO, CaO kabi aralashmalar yuqori haroratda NaOH bilan reaksiyaga kirishib, suv{1}}erimaydigan gidroksidlarni hosil qiladi; ba'zi aralashmalar (masalan, SiO₂) suvda eruvchan mahsulotlar-hosil qiladi, ular suvni yuvish va yuvish orqali chiqariladi. Atsidolizda grafit va gidroksidlar gidroksidi sintezdan keyin ma'lum konsentratsiyali xlorid kislotasi bilan issiq yuvish uchun aralashtiriladi va ularni eruvchan xloridlarga aylantiradi, keyin esa suv bilan yuviladi. Atsidolizdan so'ng tozaligi 99% dan yuqori bo'lgan yuqori-soflikdagi grafitni olish mumkin.
Hozirgi vaqtda ishqoriy{0}}kislota usuli sanoatda keng qo'llaniladi, uning afzalliklari, masalan, bir martalik investitsiyalar, yuqori sifat va jarayonga kuchli moslashish kabi afzalliklarga ega. Shu bilan birga, uning kamchiliklari ham bor, shu jumladan yuqori haroratli kalsinatsiya talabi, yuqori energiya iste'moli, uzoq reaktsiya vaqti, jiddiy uskunalar korroziyasi, katta grafit yo'qotilishi va oqava suvlarning kuchli ifloslanishi.
3.3 Xlorli qovurish usuli
Taxminan 1000 daraja haroratda grafitga xlor gazi kiritiladi. Xlorning kuchli oksidlovchi xususiyatidan foydalanib, grafitdagi metall oksidi aralashmalari gazlanish harorati past bo'lgan xloridlarga oksidlanadi. Ushbu harorat ostida metall xloridlarni tezda gazlashtirish va ko'p miqdorda tushirish, grafitni tozalashni amalga oshirish mumkin.
Xlorli qovurish odatda grafitni tozalash uchun qo'shimcha jarayon sifatida ishlatiladi, boshqa jarayonlar bilan mos keladi va ayniqsa metall aralashmalarini olib tashlashda aniq afzalliklarga ega. Biroq, xlorning zaharliligi, korroziyligi va atrof-muhitni ifloslanishi bu jarayonning ommalashishini ma'lum darajada cheklaydi. Bundan tashqari, ultra{2}}yuqori-tozalikdagi grafit ishlab chiqarish qiyin, tizimning beqarorligi ham uning amaliy qo‘llanilishiga ta’sir qiladi.
3.4 Hidroflorik kislota usuli
Xom ruda tarkibidagi aralashmalar gidroftorik kislota bilan reaksiyaga kirishib, suvda eruvchan ftoridlar va ftorsilikatlar{0}}hosil qiladi, ular yuqori{1}}navbatli grafit olish uchun suv bilan yuvish orqali chiqariladi.
Hidroflorik kislota usulining asosiy afzalliklari yuqori nopoklikni yo'qotish samaradorligi, yuqori mahsulot darajasi, grafit ishlashiga kichik ta'sir ko'rsatish va kam energiya iste'moli hisoblanadi. Kamchilik shundaki, gidroflorik kislota juda zaharli va korroziy bo'lib, ishlab chiqarishda qat'iy xavfsizlikni muhofaza qilish choralarini talab qiladi va atrof-muhitni muhofaza qilishning yuqori sarmoyasi uning iqtisodiy raqobatbardoshligini sezilarli darajada pasaytiradi.
3.5 Yuqori{1}}haroratni tozalash usuli
Grafitning qaynash nuqtasi yuqori, boshqa aralashmalarning qaynash nuqtasi past bo'lishi printsipiga asoslanib, uglerod miqdori taxminan 80% bo'lgan tabiiy grafit past qaynaydigan aralashmalarni gazlashtirish va tozalash uchun 1500 daraja haroratda tozalash pechiga joylashtiriladi. Keyin 2500 da o'choqqa kiradiKo'proq iflosliklarni olib tashlash uchun 2800 daraja va nihoyat 2800 da o'choqTegishli HF va HCl gazlari bilan 3200 daraja. Bu gazlar yuqori haroratda yuqori-qaynayotgan metall aralashmalari bilan reaksiyaga kirishib, past qaynaydigan ftoridlar va xloridlarni hosil qiladi, ular gazlanadi va chiqariladi. Shu tarzda, tabiiy grafit 99,99% ~ 99,9998% uglerod miqdorigacha tozalanadi.
Grafitning tozaligiga ta'sir qiluvchi asosiy omillarga xom ashyo sifati, grafit tigelning tozaligi, grafitni isitish usuli va grafit zarrachalarining kattaligi kiradi. Ushbu jarayon xom ashyo tozaligi, materialning nozikligi va uskunalar texnologiyasiga yuqori talablarga ega, yuqori energiya sarfi va katta sarmoya. Shu sababli, uning joriy qo'llanilishi cheklangan, asosan aerokosmik, milliy mudofaa va yadro sanoati kabi maxsus sohalarda grafit sifati juda yuqori talablarga ega.
3.6 Galogen gazni tozalash usuli
Yuqori darajadagi sanoat ilovalari (masalan, yarimoʻtkazgich sanoati) 99,999% dan yuqori grafit tozaligini talab qiladi, bunga faqat yuqori{4}}haroratda tozalash orqali erishib boʻlmaydi. Sanoat odatda halogen gazni tozalash usulini (shuningdek, jismoniy tozalash deb ataladi) qabul qiladi. Pech harorati va vakuum darajasining oshishi bilan grafit mahsulotlaridagi ba'zi aralashmalar avtomatik ravishda uchib ketadi. Yuqori haroratni talab qiladigan boshqa aralashmalar uchun halogen gazlar (asosan xlor va galogenli uglevodorodlar) ularni past erish va qaynash nuqtalari bo'lgan galogenidlarga aylantiradi. Kombinatsiyalangan ta'sir ostida grafitni tozalashga erishish uchun aralashmalar chiqariladi.
4. Yuqori-tozalikdagi grafitdan foydalanish
4.1 Moylash materiallari
Oddiy qattiq moylash materiallaridan biri sifatida grafitning qatlamli tuzilishi unga-o'zini moylash xususiyatini beradi. Metalllar bilan quruq ishqalanish paytida siqish va kesish stresslari ostida grafit qatlamlari sirpanib, mikroskopik tarzda metall ishqalanish yuzasida yupqa grafit o'tkazuvchi plyonka hosil qiladi. Shunday qilib, grafit va metall orasidagi quruq ishqalanish koeffitsienti metallar orasidagi ishqalanishdan pastroq bo'lib, uni odatdagi o'z-o'zidan{3}}moylanadigan materialga aylantiradi.
Metall{0}}grafit ishqalanish juftlaridagi metallar odatda 45# po'lat, 40Cr po'lat, zanglamaydigan po'lat, quyma temir, mis qotishmasi va boshqalarni o'z ichiga oladi. Grafit juftlarining ishqalanish va eskirish ko'rsatkichlari-metall materiallarning turi va xususiyatlari bilan chambarchas bog'liq. Mexanik ishqalanish juftlari orasidagi ishqalanish va eskirishni kamaytirish mexanik qismlarning samaradorligi va xizmat muddatini yaxshilashning asosiy usuli hisoblanadi. Yuk, harorat, sirpanish tezligi, sirt morfologiyasi va tekstura taʼsirini oʻrganish grafit{7}}metall ishqalanish juftlarining xizmat muddatini uzaytiradi.
4.2 Muhrlash materiallari
Kengaytirilgan grafitdan keyingi ishlov berishdan so'ng, past termal kengayish koeffitsienti (1×10⁻⁶~30×10⁻⁶ K⁻¹) bilan egiluvchan grafitga ishlov berish mumkin. U past haroratlarda mo'rt bo'lib qolmaydi yoki yorilib ketmaydi, yuqori haroratda esa yumshamaydi va siqilmaydi.
An'anaviy muhrlash materiallari (asbest, kauchuk, tsellyuloza va ularning kompozitlari) bilan taqqoslaganda, moslashuvchan grafit keng xizmat ko'rsatish harorati oralig'iga ega (havoda 200 ~ 450 daraja). Shuning uchun kengaytirilgan grafit mashinasozlik, metallurgiya, avtomobilsozlik, kemasozlik, neft-kimyo va boshqa sohalarda muhrlash materiali sifatida keng qo'llaniladi.
4.3 Olovga chidamli{1}}Materiallar
Kengaytirilgan grafitni polimerlar, qatronlar va boshqalar bilan aralashtirib, yong'inga chidamli materiallar ishlab chiqarish mumkin. Yong'in sodir bo'lganda, kengaytiriladigan grafit material yuzasida kengaytirilgan issiqlik izolyatsiyasi qatlamini hosil qilish uchun tez kengayib, mukammal issiqlik izolyatsiyasini ta'minlaydi va zaharli gazlarning chiqishini bloklaydi.
4.4 Elektrodli kompozit materiallar
Kengaytiriladigan grafit yuqori faol yuzasi, yuqori kimyoviy barqarorligi, yaxshi issiqlik va elektr o'tkazuvchanligi va oson tayyorlanishi tufayli turli xil akkumulyator elektrod materiallarini tayyorlash uchun ishlatiladi. Uning barqaror tuzilishi velosipedda aylanish jarayonida elektrod materiallarining (masalan, Li/S yoki Li/Si batareyalarida) hajmining kengayishini samarali ravishda cheklaydi, bu esa aylanish muddatini yaxshilaydi.
Bundan tashqari, kengaytiriladigan grafitning qatlamlararo oralig'i kattaroq bo'lishi metall{0}}ionli ikkilamchi akkumulyatorlarda (litiy-ioni, natriy{2}}magniy{3}}ioni, rux ionlashtiruvchi energiya{4}}energetikasi{0}})dagi Li⁺, Na⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ ning interkalatsiyasi uchun ko'proq joy beradi. zichlik. Kengayadigan grafit superkondensatorlar uchun elektrod materiali sifatida ham ishlatilishi mumkin.
Bundan tashqari, polimer matritsali kengaytirilgan grafit kompozitlari engil, arzon-xarajat va qolipga oson. Kengaytirilgan grafitning dozasini o'zgartirish orqali elektr xususiyatlari keng miqyosda sozlanishi mumkin.
4.5 An'anaviy va yuqori darajadagi-ishlab chiqarish
Metallurgiya elektrodlari va quyish sanoati grafitning asosiy an'anaviy iste'mol qilinadigan sohalari bo'lib, ular asosan elektrodlarni eritish va po'lat, mis, alyuminiy va boshqa qora metallar qoliplarini quyish uchun qoplama uchun ishlatiladi. Qalam ishlab chiqarishda grafitga talab nisbatan barqarorligicha qolmoqda.
Grafit materiallari oddiy tuzilishga ega, texnik xizmat ko‘rsatmaydi, eskirishga chidamliligi, yuqori yuk ko‘taruvchanligi-va kuchli zarbalarga chidamliligi bilan ajralib turadi va yadro energetikasi, gidroenergetika, aerokosmik va harbiy sohalarda-keng ko‘lamli uskunalar komponentlarida keng qo‘llaniladi.
4.6 Yadro energetikasi materiallari
Yadro energetikasi uchun grafit quvurlar, yonilg'i elementlari va qo'llab-quvvatlovchi komponentlar kabi yuqori{0}}haroratli gaz-sovutiladigan reaktorlarning yadrosida keng qo'llaniladi. Rossiyadagi ilg'or yadroviy asosiy nasoslardagi podshipniklar va hidoyat podshipniklari asosan silikonlangan grafitdan foydalanadi. Grafit ajoyib yadroviy ko'rsatkichga ega va ko'pincha reaktorlarda moderator va reflektor sifatida ishlatiladi.
4.7 Yarimo'tkazgichli materiallar
Yarimo'tkazgich sanoatida grafit mahsulotlari kristall o'stirish pechlari, karbonlashtirish pechlari va grafitlash pechlari kabi yuqori-haroratli issiqlik bilan ishlov berish uskunalarida keng qo'llaniladi.
Uchinchi avlod yarimo‘tkazgichli kremniy karbid (SiC) uchun-tozaligi yuqori bo‘lgan grafit mahsulotlariga grafit tigellar, isitgichlar va kristall o‘sishi uchun kukun kiradi, ularning tozaligi SiC kristallarining sifatini belgilaydi. Bunday yuqori{3}}tozalikdagi grafitni tozalash odatda fizik-kimyoviy usullarni qo‘llaydi, ular tozalikni 99,9995% dan katta yoki teng talab qiladi, alohida aralashmalar bo‘yicha qat’iy cheklovlar (masalan, B 0,05×10⁻⁶ dan kam yoki teng, Al 0,05×10⁻⁶ dan kam yoki teng, Al 0,0⁶ dan kam yoki teng).
4.8 Sintetik olmos materiallari
Hozirgi vaqtda monokristalli olmos asosan yuqori-bosim yuqori-harorat (HPHT) usuli va kimyoviy bug'larni cho'ktirish (CVD) usuli bilan sintezlanadi. CVD vodorod{4}}tarkibidagi gazlardan (metan, vodorod va boshqalar) foydalanadi, bu esa olmos kristallarida vodorod aralashmalari va stressga olib keladi. Katalizator sifatida an'anaviy qotishmalarga ega HPHT olmosi ma'lum metall aralashmalarini o'z ichiga oladi, bu "ultra{7}}sof" olmos sintezini juda qiyin va qiyin qiladi.
Recent breakthroughs in static ultra-high pressure technology have enabled direct synthesis of diamond from graphite under extreme P-T conditions (>15 GPa, 2000 daraja). Bunday sharoitda grafit tez olmosga aylanadi va santimetr{3}}oʻlchamdagi yuqori tozalikdagi polikristal agregatlarni hosil qiladi.
Xulosa
Xitoyda ishlatiladigan grafitning asosiy shakllariga yuqori{0}}soflikdagi grafit, izostatik presslash grafit, kengaytiriladigan grafit, ftorli grafit, kolloid grafit va grafen kiradi. Grafit tozaligini yaxshilash barcha grafit mahsulotlari-oʻrtasida umumiy talab boʻlib, asosiy, ammo qiyin.
Yuqori{0}}texnologik sohalarda yuqori{1}}tozalikdagi grafitga boʻlgan talab oʻsishda davom etar ekan va tozalik talablari tobora qattiqlashib borar ekan, tegishli texnologiyalar muhim bosqichda va yutuqlarni kutmoqda.
