I materiali e le applicazioni più promettenti del 21° secolo

Introduzione:

La grafite è un allotropo del carbonio elementare. La periferia di ciascun atomo di carbonio è connessa con altri tre atomi di carbonio (più esagoni disposti a nido d'ape) legati covalentemente per formare una molecola covalente. Poiché ogni atomo di carbonio emette un elettrone, quegli elettroni possono muoversi liberamente, quindi la grafite è un conduttore elettrico. La grafite è uno dei minerali più morbidi e i suoi usi includono la produzione di mine per matite e lubrificanti. Il carbonio è un elemento non metallico, situato nel gruppo IVA del secondo periodo della tavola periodica.

Caratteristica

Le proprietà chimiche del carbonio elementare sono relativamente stabili a temperatura ambiente ed è insolubile in acqua, acido diluito, alcali diluiti e solventi organici; reagisce e brucia con l'ossigeno a diverse alte temperature per generare anidride carbonica o monossido di carbonio; tra gli alogeni solo il fluoro può reagire direttamente con il carbonio elementare; Ad alta temperatura, il carbonio elementare è più facile da ossidare dall'acido; ad alta temperatura, il carbonio può anche reagire con molti metalli per formare carburi metallici. Il carbonio è riduttivo e può fondere i metalli ad alte temperature. La grafite è un minerale cristallino di elementi di carbonio e il suo reticolo cristallino è una struttura a strati esagonali. La distanza tra ogni strato di maglia è 340pm e la distanza tra gli atomi di carbonio nello stesso strato di maglia è 142pm;. Appartiene al sistema di cristalli esagonali con scollatura completa a strati. La superficie di scissione è dominata da legami molecolari, che hanno un'attrazione più debole per le molecole, quindi la sua naturale galleggiabilità è molto buona. Grafite, diamante, carbonio 60, nanotubi di carbonio, ecc. sono tutte sostanze semplici del carbonio e sono allotropi. Le proprietà speciali della grafite, resistenza alle alte temperature: il punto di fusione della grafite è 3850 ± 50 ° C e il punto di ebollizione è 4250 ° C. Anche dopo la combustione dell'arco ad altissima temperatura, la perdita di peso è molto piccola e anche il coefficiente di espansione termica è molto piccolo. La forza della grafite aumenta con l'aumentare della temperatura. A 2000°C, la forza della grafite raddoppia.

Refrattario

Nell'industria siderurgica, i refrattari in grafite sono utilizzati per rivestimenti refrattari di altiforni ad arco e convertitori di ossigeno, rivestimenti refrattari per siviere, ecc.; I refrattari in grafite sono principalmente materiali di colata integrali, mattoni di carbonio di magnesia e refrattari in grafite di alluminio. La grafite viene anche utilizzata come materiale filmogeno per la metallurgia delle polveri e la fusione dei metalli. La polvere di grafite viene aggiunta all'acciaio fuso per aumentare il contenuto di carbonio dell'acciaio, in modo che l'acciaio ad alto tenore di carbonio abbia molte proprietà eccellenti.

Materiale conduttivo

Nell'industria elettrica, viene utilizzato per realizzare elettrodi, spazzole, barre di carbonio, tubi di carbonio, elettrodi positivi di dispositivi a corrente positiva al mercurio, rondelle di grafite, parti telefoniche, rivestimenti per cinescopi televisivi, ecc.

Materiale lubrificante resistente all'usura

La grafite è spesso utilizzata come lubrificante nell'industria dei macchinari. L'olio lubrificante non può essere utilizzato in condizioni di alta velocità, alta temperatura e alta pressione, mentre i materiali resistenti all'usura in grafite possono funzionare a velocità di scorrimento elevate a una temperatura compresa tra -200 e 2000°C senza olio lubrificante. Molte attrezzature che trasportano fluidi corrosivi utilizzano ampiamente materiali di grafite per realizzare coppe del pistone, guarnizioni e cuscinetti. Non hanno bisogno di aggiungere olio lubrificante quando sono in funzione. L'emulsione di grafite è anche un buon lubrificante per molte lavorazioni dei metalli (trafilatura di fili, trafilatura di tubi).

Materiali resistenti alla corrosione

La grafite appositamente lavorata, che ha le caratteristiche di resistenza alla corrosione, buona conduttività termica e bassa permeabilità, è ampiamente utilizzata nella produzione di scambiatori di calore, serbatoi di reazione, condensatori, torri di combustione, torri di assorbimento, refrigeratori, riscaldatori e filtri, apparecchiature per pompe . È ampiamente utilizzato nell'industria petrolchimica, idrometallurgia, produzione acido-base, fibra sintetica, fabbricazione della carta e altri settori industriali, che possono far risparmiare molti materiali metallici

Materiali metallurgici ad alta temperatura

Poiché la grafite ha un piccolo coefficiente di espansione termica e può resistere a rapidi cambiamenti di calore e freddo, può essere utilizzata come stampo per vetro. Dopo l'utilizzo della grafite, i metalli ferrosi possono ottenere getti con dimensioni precise e un alto grado di finitura superficiale. Può essere utilizzato senza elaborazione o una piccola elaborazione. Risparmia molto metallo. La produzione di carburo cementato e altri processi di metallurgia delle polveri solitamente utilizzano materiali di grafite per realizzare imbarcazioni in porcellana per stampi a compressione e sinterizzazione. I crogioli per la crescita di cristalli di silicio monocristallino, i recipienti di raffinazione regionali, i dispositivi di supporto, i riscaldatori a induzione, ecc. Sono tutti realizzati in grafite di elevata purezza. Inoltre, la grafite può essere utilizzata anche per la fusione sotto vuoto di pannelli e basi isolanti in grafite, tubi per forni resistenti alle alte temperature e altri componenti.

Industria dell'energia atomica e della difesa

La grafite ha un buon moderatore di neutroni utilizzato nei reattori atomici. I reattori a uranio-grafite sono attualmente i reattori atomici più utilizzati. Il materiale di decelerazione nel reattore nucleare utilizzato come potenza dovrebbe avere un alto punto di fusione, stabilità e resistenza alla corrosione. La grafite può soddisfare pienamente i requisiti di cui sopra. La purezza della grafite utilizzata nei reattori atomici è molto elevata e il contenuto di impurezze non deve superare le decine di ppm. In particolare, il contenuto di boro dovrebbe essere inferiore a 0,5 ppm. Nell'industria della difesa nazionale, la grafite viene anche utilizzata per realizzare ugelli per razzi a combustibile solido, ogive di missili, parti di apparecchiature aerospaziali, materiali per l'isolamento termico e materiali per la protezione dalle radiazioni.