Antaŭparolo
Grafito estas grava ne-metala minerala rimedo kun unikaj duoblaj metalaj kaj ne-metalaj trajtoj. Ĝi estas konata kiel "strategia rimedo subtenanta la evoluon de alt-tekniko en la 21-a jarcento" kaj longe estas aklamita kiel "nigra oro". Alta-pura grafito rilatas al grafito kun karbonenhavo de pli ol 99,99%. Ĝi prezentas bonegan mem-lubrikadon, altan forton, bonan elektran konduktivecon, acidan/alkalon/korodan/varmegan reziston, malaltan ekspansiokoeficienton, elstaran kemian stabilecon, altan sigelan rendimenton kaj unuforman kaj kompaktan strukturon. Ĝi estas vaste uzata en elektrotekniko, metalurgio, nacia defendo, aerospaco, energio, kemia industrio kaj aliaj sektoroj. Precipe, ĝi ludas decidan kaj kritikan rolon en emerĝantaj industrioj kiel ekzemple la preparado de tria-semikonduktaĵmaterialoj, nuklea industrio kaj fotovoltaeca industrio, penante vastan-efekton al la ekonomio de Ĉinio.
1. Propraĵoj de Grafita Erco
Grafito estas mineralo kunmetita de karbonelementoj, hele nigra en koloro kun metala brilo kaj anizotropeco. Ĝia denseco estas 2.09-2.23 g/cm³, fandpunkto 3850 gradoj , bolpunkto 4250 gradoj , varmosorbadkapacito 6.9036×10⁷ J/kg, montrante bonegan termikan stabilecon.
2. Alta-Pureca Grafito
2.1Natura Alta-Pureca Grafito
Depende de krudmaterialoj kaj preparmetodoj, alt-pura grafito povas esti dividita en natura alt-pura grafito kaj sinteza alt-pura grafito.
Natura alt-pura grafito estas vaste uzata en diversaj kampoj pro sia bonega elektra kaj termika kondukteco, kiel obstinaj materialoj, kontraŭ-ruĝaj tegaĵoj, karbonaj elektrodoj, generatoroj, lubrikaĵoj kaj protektaj materialoj en la nuklea industrio. Sinteza alt-pura grafito, kun unuforma morfologio kaj partiklogranda distribuo, estas aplikata en antaŭbakitaj anodoj, speciala grafito, nuklea industrio kaj aliaj kampoj. Preparaj metodoj de alta-pura grafito varias laŭ malsamaj krudaĵoj.
Ne estas pura grafito en la naturo. Grafiteco ofte enhavas malpuraĵojn kiel ekzemple SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO, P₂O₅, CuO, kiuj kutime ekzistas kiel mineraloj kiel kvarco, pirito, karbonato, same kiel gasajn komponentojn inkluzive de akvo, asfalto, CO₂, H₂, CH₄, kaj N₂. Tial, la analizo de grafito postulas la persistemon de ne nur fiksa karbonenhavo sed ankaŭ volatila materio kaj cindroenhavo. Grafitaj purigaj procezoj celas efike forigi ĉi tiujn malpuraĵojn. Ju pli alta la pureco de grafito (t.e., des pli alta la enhavo de karbono), des pli alta ĝia valoro kaj des pli larĝa ĝia aplika amplekso.
La preparado de alt-pura grafito el natura grafito kutime implikas primaran purigon de grafita erco per flosado, plian purigon de flosadkoncentraĵo per alkala-acida metodo aŭ fluor-acida metodo, kaj fine akiri alt-purecajn grafitajn produktojn per alt-temperatura metodo aŭ alt{4}temperatura metodo aŭ alt{4}-temperatura metodo.
2.2 Sinteza Alta-Pureca Grafito
Sinteza grafito ĝenerale rilatas al grafitaj materialoj produktitaj uzante alt-kvalitajn naftokolaon kaj peĉan kolaon kiel agregaĵojn, aldonante karbogudronon kiel ligilon kaj aliajn akcesoraĵojn, sekvitajn de serio de alt-temperaturaj grafitigaj traktadoj. Ĝenerale, krudaĵoj estas antaŭtraktitaj kaj poste metitaj en specialan alt-temperaturan reaktoron por grafitigo kaj purigado. La ĉeffornejspecoj inkludas Acheson-grafitigajn fornojn, internajn seriajn grafitigajn fornojn, kaj kontinuajn grafitigajn elektrajn fornojn. La ultra-alta temperaturo en la forno grafitigas naftokolaon kaj peĉan kolaon, kaj halogengaso estas enkondukita por reagi kun malpuraĵoj, kiuj poste estas gasigitaj kaj volatiligitaj por akiri alta-puran grafiton.
Kvankam parto de la malpuraĵoj en naftokolao kaj peĉkolao povas esti forigita dum alt-temperatura kalcinado en la produktado de sinteza alt-pura grafito, ekzistas klaraj postuloj por sulfuro kaj cindroenhavo en naftokolao krudmaterialoj. Kun la kreskanta uzo de alta-sulfura nafto, alt-sulfura naftokolao kreskas ankaŭ. Por plenumi la malaltan-sulfuran postulon de naftokolao por sinteza alt-pura grafitoproduktado, multaj akademiuloj faris en-profundan esploradon pri akcepteblaj kaj efikaj naftokolao desulfurigaj procezoj.
Grafita pureco determinas la servo-efikecon kaj ampleksajn ecojn de grafitaj profund-pretigaj produktoj. Ju pli alta la pureco, des pli alta la aplika valoro. Ekzemple:
Grafito kiel anoda materialo por litio-jonaj kuirilaroj postulas purecon super 99,98%;
Natura grafito por sinteza artefarita diamanto postulas purecon super 99.999%, kun borenhavo sub 0.01×10⁻⁶;
Speciala grafito por aerospaco, nacia defendo kaj nuklea industrio postulas purecon de 99% ~ 99,99% aŭ eĉ pli alta;
Grafita pulvoro por sintezi tria-generaciajn semikonduktaĵajn SiC-oblatojn postulas purecon same altan kiel 99,9995% aŭ pli.
Grafitpurigo estas la fundamento por preparado de ĉiuj grafitaj materialoj kaj ofta afero en la evoluo de grafitaj materialoj. Grafitaj purigaj procezoj kun malalta energikonsumo, alta kapablo kaj malalta poluo estas la fokuso de nuna R&D.
3. Graphite Purification Technologies
3.1 Flotada Metodo
Utiligante la bonan floseblecon de natura grafito, flosprocezoj kun plur-etapaj fluoj estas dizajnitaj por apartigi flokan grafiton aŭ mikrokristalan grafiton de rilataj mineraloj kiel ekzemple kaolino, kvarco kaj glimo en natura grafita erco. Ĉi tiu teknologio povas multe riĉigi naturan grafitan ercon kun grado sub 20% en grafitan koncentraĵon kun pureco de 95%, kiu estas plejparte uzata kiel krudaĵo por la produktado de natura alta-pura grafito.
3.2 Alkala-Acida Metodo
La purigprocezo inkluzivas alkalan fuzion kaj acidolizon. En alkala fuzio, malpuraĵoj en grafito kiel ekzemple Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, MgO, CaO reagas kun NaOH ĉe alta temperaturo por formi akvo-nesolveblajn hidroksidojn; iuj malpuraĵoj (ekz., SiO₂) produktas akvo-solveblajn produktojn, kiuj estas forigitaj per akvo lesivado kaj lavado. En acidolizo, grafito kaj hidroksidoj post alkala fuzio estas miksitaj kun klorida acido de certa koncentriĝo por varma lesivado, konvertante ilin en solveblajn kloridojn kiuj tiam estas forlavitaj per akvo. Alta-pura grafito kun pureco super 99% povas esti akirita post acidolizo.
Nuntempe, la alkala-acida metodo estas vaste uzata en industrio, kun avantaĝoj kiel malalta unufoja investo, alta grado kaj forta proceza adaptebleco. Tamen, ĝi ankaŭ havas malavantaĝojn inkluzive de alta-temperatura kalcinadpostulo, alta energikonsumo, longa reagtempo, serioza ekipaĵkorodo, granda grafitperdo, kaj severa kloakaĵpoluado.
3.3 Klorado-Rostado-Metodo
Je proksimume 1000 gradoj, klora gaso estas enkondukita en grafiton. Uzante la fortan oksigenantan posedaĵon de kloro, metaloksidaj malpuraĵoj en grafito estas oksigenitaj en kloridojn kun pli malaltaj gasigaj temperaturoj. Sub ĉi tiu temperaturo, metalaj kloridoj povas esti rapide gasigitaj kaj eligitaj en grandaj kvantoj, realigante grafitan purigon.
Klora rostado estas ĝenerale utiligita kiel suplementa procezo por grafita purigo, kongruante kun aliaj procezoj, kaj havas evidentajn avantaĝojn precipe en forigado de metalmalpuraĵoj. Tamen, la tokseco, korodeco kaj media poluado de kloro limigas la popularigon de ĉi tiu procezo certagrade. Krome, estas malfacile produkti ultra-alt-purecan grafiton, kaj la malstabila sistemo ankaŭ influas ĝian praktikan aplikadon.
3.4 Hidrofluora Acida Metodo
Malpuraĵoj en kruda erco reagas kun fluorida acido por generi akvo-solveblajn fluoridojn kaj fluorosilikatojn, kiuj estas forigitaj per akvolavado por akiri alt-gradan grafiton.
La ĉefaj avantaĝoj de la metodo de hidrofluora acida estas alta efikeco por forigo de malpuraĵoj, alta produkta grado, malgranda efiko al grafita agado kaj malalta energikonsumo. La malavantaĝo estas, ke fluorida acido estas tre toksa kaj koroda, postulante striktajn sekurecprotektajn mezurojn en produktado, kaj alta mediprotekta investo multe reduktas ĝian ekonomian konkurencivon.
3.5 Alta-Temperatura Puriga Metodo
Surbaze de la principo ke grafito havas altan bolpunkton dum aliaj malpuraĵoj havas malaltajn bolpunktojn, natura grafito kun karbonenhavo de ĉirkaŭ 80% estas metita en purigan fornon je 1500 gradoj por gasigi kaj forigi malalt-bolantajn malpuraĵojn. Ĝi tiam eniras fornon ĉe 25002800 gradoj por forigi pli da malpuraĵoj, kaj finfine fornon ĉe 28003200 gradoj kun taŭgaj HF kaj HCl-gasoj. Tiuj gasoj reagas kun alt-bolantaj metalmalpuraĵoj ĉe alta temperaturo por formi malalt-bolantajn fluoridojn kaj kloridojn, kiuj estas gasigitaj kaj eligitaj. Tiamaniere, natura grafito estas purigita al 99,99% ~ 99,9998% karbona enhavo.
Ĉefaj faktoroj influantaj grafitpurecon inkluzivas krudmaterialan kvaliton, grafitan krisolpurecon, grafitigan varmigan metodon kaj grafitan partiklograndecon. Ĉi tiu procezo havas altajn postulojn por pureco de krudmaterialo, fajneco de materialo kaj teknologio de ekipaĵo, kun alta energikonsumo kaj grandega investo. Tial ĝia nuna apliko estas limigita, ĉefe en specialaj kampoj kiel aerospaco, nacia defendo kaj nuklea industrio kun ekstreme altaj grafitaj kvalitpostuloj.
3.6 Halogena Gasa Puriga Metodo
Altnivelaj industriaj aplikoj (ekz., duonkondukta industrio) postulas grafitan purecon super 99,999%, kiu ne povas esti atingita per alt-temperatura purigo sole. La industrio ĝenerale adoptas la metodon de purigado de halogena gaso (ankaŭ nomata fizika purigo). Kun pliigita forna temperaturo kaj malplena grado, iuj malpuraĵoj en grafitaj produktoj volatiliĝas aŭtomate. Por aliaj malpuraĵoj postulantaj pli altajn temperaturojn, halogengasoj (plejparte kloro kaj halogenitaj hidrokarbidoj) konvertas ilin en Halogenidojn kun malaltaj frosto- kaj bolpunktoj. Sub la kombinita ago, malpuraĵoj estas forigitaj por atingi grafitan purigon.
4. Aplikoj de Alta-Pureca Grafito
4.1 Lubrikaj Materialoj
Kiel unu el la komunaj solidaj lubrikaĵoj, la tavoligita strukturo de grafito donas al ĝi mem-lubrikatajn trajtojn. Sub kunpremaj kaj tondaj streĉoj dum seka frotado kun metaloj, grafitaj tavoloj glitas, formante maldikan grafitan transigan filmon sur la metala frota surfaco mikroskope. Tiel, la seka frikciokoeficiento inter grafito kaj metalo estas pli malalta ol tiu inter metaloj, igante ĝin tipa mem-lubrika materialo.
Metaloj en metalaj-grafitaj frotparoj kutime inkluzivas 45#-ŝtalon, 40Cr-ŝtalon, neoksideblan ŝtalon, gisferon, kupran alojon, ktp. La frotado kaj eluziĝo-agado de grafitaj-metalaj paroj estas proksime rilataj al la tipo kaj propraĵoj de metalaj materialoj. Redukti frikcion kaj eluziĝon inter mekanikaj frikcioparoj estas la ĉefa maniero plibonigi la efikecon kaj servodaŭron de mekanikaj partoj. Studi la efikojn de ŝarĝo, temperaturo, glitrapideco, surfaca morfologio kaj teksturo helpas plilongigi la funkcidaŭron de grafitaj-metalaj frikcioparoj.
4.2 Sigelaj Materialoj
Vastigita grafito povas esti prilaborita en flekseblan grafiton post post-traktado, kun malalta termika vastiĝkoeficiento (1×10⁻⁶~30×10⁻⁶ K⁻¹). Ĝi ne iĝas fragila aŭ fendetiĝas ĉe malaltaj temperaturoj, nek moliĝas aŭ ŝteliĝas ĉe altaj temperaturoj.
Kompare kun tradiciaj sigelaj materialoj (asbesto, kaŭĉuko, celulozo kaj iliaj kunmetaĵoj), fleksebla grafito havas larĝan servan temperaturon (200 ~ 450 gradoj en aero). Sekve, vastigita grafito estas vaste uzata kiel sigela materialo en maŝinaro, metalurgio, aŭtomobilo, ŝipkonstruado, petrolkemia kaj aliaj kampoj.
4.3 Flam-Materialoj
Vastigita grafito povas esti kunmetita kun polimeroj, rezinoj, ktp. por produkti fajrorezistajn materialojn. En kazo de fajro, ekspansiebla grafito rapide disetendiĝas por formi vastigitan termizolan tavolon sur la materiala surfaco, disponigante bonegan varmoizolon kaj blokante la liberigon de toksaj gasoj.
4.4 Elektrodaj Komponitaj Materialoj
Vastebla grafito estas uzata por prepari diversajn bateriajn elektrodmaterialojn pro sia alta aktiva surfaco, alta kemia stabileco, bona termika kaj elektra kondukteco, kaj facila preparo. Ĝia stabila strukturo efike limigas volumenan ekspansion de elektrodaj materialoj (ekz. en Li/S aŭ Li/Si-kuirilaroj) dum biciklado, plibonigante ciklovivon.
Plie, la pli granda intertavola interspaco de disetendebla grafito disponigas pli da spaco por interkalado de Li⁺, Na⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ en metalaj-jonaj sekundaraj baterioj (litio-jono, natria-jono, magnezio-jono, zinko-jona kapablo), pligrandiga kapablo de stokado de energidonado kaj energidonado de zinko{4}}jono. Vastigebla grafito ankaŭ povas esti utiligita kiel elektrodmaterialo por superkondensiloj.
Krome, vastigitaj grafitaj kunmetaĵoj kun polimera matrico estas malpezaj, malmultekostaj-kaj facile muldeblaj. La elektraj trajtoj povas esti vaste ĝustigitaj ŝanĝante la dozon de vastigita grafito.
4.5 Tradicia kaj Alta-Fabricado
Metalurgiaj elektrodoj kaj fandeja industrio estas ĉefaj tradiciaj konsumkampoj de grafito, ĉefe uzataj por fandado de elektrodoj kaj tegaĵo por fandado de ŝtalo, kupro, aluminio kaj aliaj ne-feraj metaloj. Postulo je grafito en krajona fabrikado restas relative stabila.
Grafitaj materialoj havas simplan strukturon, prizorgado-senpage, eluziĝoreziston, altan ŝarĝon-portan kapablon kaj fortan trafreziston, kaj estas vaste uzataj en grandskalaj-ekipaĵkomponentoj en nuklea energio, akvoenergio, aerospaca kaj armea kampoj.
4.6 Nukleaj Energiaj Materialoj
Grafito por nuklea energio estas vaste uzata en la kerno de alt-temperatura gaso-malvarmigitaj reaktoroj, kiel ekzemple akvokonduktiloj, fuelelementoj kaj subtenkomponentoj. Lagroj kaj gvidlagroj en altnivelaj nukleaj ĉefaj pumpiloj en Rusio plejparte uzas silikigitan grafiton. Grafito havas bonegan nuklean efikecon kaj ofte estas uzata kiel moderigaĵo kaj reflektoro en reaktoroj.
4.7 Semikonduktaĵaj Materialoj
En la industrio de duonkonduktaĵoj, grafitaj produktoj estas vaste uzataj en alt-temperaturaj varmotraktaj ekipaĵoj kiel kristalaj kreskaj fornoj, karbonigaj fornoj kaj grafitigaj fornoj.
Alt-purecaj grafitaj produktoj por tria-generacia duonkonduktaĵa siliciokarbido (SiC) inkluzivas grafitajn krisolojn, hejtilojn kaj pulvoron por kristala kresko, kies pureco determinas la kvaliton de SiC-kristaloj. Purigado de tia alta-pureca grafito kutime adoptas fizikajn-kemiajn metodojn, postulante purecon Pli granda ol aŭ egala al 99.9995%, kun striktaj limoj por individuaj malpuraĵoj (ekz., B Malpli ol aŭ egala al 0.05×10⁻⁶, Al Malpli ol aŭ egala al 0.05×10⁶).
4.8 Sintezaj Diamantaj Materialoj
Nuntempe, unu-kristala diamanto estas ĉefe sintezita per Alta-Premo Alta-Temperatura (HPHT) metodo kaj Kemia Vapora Deponado (CVD). CVD uzas gasojn enhavantajn hidrogen-(metano, hidrogeno, ktp.), kondukante al hidrogenaj malpuraĵoj kaj streso en diamantkristaloj. HPHT-diamanto kun tradiciaj alojoj kiel kataliziloj enhavas certajn metalmalpuraĵojn, igante la sintezon de "ultra-pura" diamanto tre malfacila kaj defia.
Recent breakthroughs in static ultra-high pressure technology have enabled direct synthesis of diamond from graphite under extreme P-T conditions (>15 GPa, 2000 gradoj). Sub tiaj kondiĉoj, grafito transformiĝas en diamanton rapide, produktante centimetro-grandajn polikristalajn agregaĵojn kun alta pureco.
Konkludo
La ĉefaj formoj de grafito uzataj en Ĉinio inkluzivas alt-puran grafiton, izostatan preman grafiton, disetendeblan grafiton, fluoran grafiton, koloidan grafiton kaj grafenon. Plibonigi grafitpurecon estas ofta postulo inter ĉiuj grafitaj produktoj-fundamenta sed defia.
Ĉar postulo je alt-pura grafito en alt-teknikaj kampoj daŭre kreskas kaj purecaj postuloj fariĝas ĉiam pli rigoraj, rilataj teknologioj estas en kritika stadio atendante sukcesojn.
