Prefazju
Il-grafita hija riżors minerali importanti mhux-metalliku bi proprjetajiet uniċi metalliċi doppji u mhux-metalliċi. Huwa magħruf bħala "riżors strateġiku li jappoġġa l-iżvilupp ta'-teknoloġija għolja fis-seklu 21" u ilu milqugħ bħala "deheb iswed". Il-grafita ta' purità għolja-referi għal grafita b'kontenut ta' karbonju ta' aktar minn 99.99%. Hija karatteristiċi ta 'lubrikazzjoni awto-eċċellenti, saħħa għolja, konduttività elettrika tajba, reżistenza aċidu/alkali/korrużjoni/sħana, koeffiċjent ta' espansjoni baxx, stabbiltà kimika pendenti, prestazzjoni għolja tas-siġillar, u struttura uniformi u kompatta. Huwa użat ħafna fl-inġinerija elettrika, metallurġija, difiża nazzjonali, aerospazjali, enerġija, industrija kimika u setturi oħra. B'mod partikolari, għandu rwol deċiżiv u kritiku fl-industriji emerġenti bħall-preparazzjoni ta' materjali semikondutturi tat-tielet-ġenerazzjoni, l-industrija nukleari, u l-industrija fotovoltajka, li jeżerċitaw impatt wiesa'-fuq l-ekonomija taċ-Ċina.
1. Proprjetajiet ta 'Graphite Ore
Il-grafita hija minerali magħmul minn elementi tal-karbonju, b'kulur iswed qawwi bi tleqqija metallika u anisotropija. Id-densità tagħha hija 2.09-2.23 g/cm³, punt tat-tidwib 3850 grad, punt tat-togħlija 4250 grad, kapaċità ta 'assorbiment tas-sħana 6.9036 × 10⁷ J/kg, li turi stabbiltà termali eċċellenti.
2. Grafita ta' Purità Għolja
2.1Grafit ta' Purità Għolja-Naturali
Skont il-materja prima u l-metodi ta' preparazzjoni, il-grafita ta'-purità għolja tista' tinqasam f'grafita naturali ta'-purità għolja u grafita sintetika ta' purità għolja-.
Il-grafita naturali ta' purità għolja-tintuża ħafna f'diversi oqsma minħabba l-konduttività elettrika u termali eċċellenti tagħha, bħal materjali refrattorji, kisjiet kontra-sadid, elettrodi tal-karbonju, ġeneraturi, lubrikanti, u materjali protettivi fl-industrija nukleari. Grafita sintetika ta 'purità għolja-, b'morfoloġija uniformi u distribuzzjoni tad-daqs tal-partiċelli, hija applikata f'anodi prebaked, grafita speċjali, industrija nukleari u oqsma oħra. Metodi ta' preparazzjoni ta' grafit ta'-purità għolja jvarjaw ma' materja prima differenti.
M'hemm l-ebda grafita pura fin-natura. Il-mineral tal-grafita spiss ikun fih impuritajiet bħal SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO, P₂O₅, CuO, li normalment jeżistu bħala minerali bħall-kwarz, pirite, karbonat, kif ukoll komponenti gassużi inklużi ilma, asfalt, CO₂, H₂, CH₄, u N₂. Għalhekk, l-analiżi tal-grafita teħtieġ id-determinazzjoni mhux biss tal-kontenut tal-karbonju fiss iżda wkoll tal-kontenut ta 'materja volatili u rmied. Il-proċessi ta 'purifikazzjoni tal-grafita għandhom l-għan li jneħħu b'mod effettiv dawn l-impuritajiet. Iktar ma tkun għolja l-purità tal-grafita (jiġifieri, iktar ikun għoli l-kontenut tal-karbonju), iktar ikun għoli l-valur tagħha u iktar ikun wiesa 'l-ambitu tal-applikazzjoni tiegħu.
Il-preparazzjoni ta' grafita ta' purità għolja-mill-grafita naturali normalment tinvolvi purifikazzjoni primarja tal-mineral tal-grafita permezz tal-flotazzjoni, aktar purifikazzjoni tal-konċentrat tal-flotazzjoni b'metodu tal-alkali-aċidu jew metodu tal-aċidu idrofluworiku, u finalment il-kisba ta' prodotti tal-grafita ta'-purità għolja b'metodu ta' -temperatura għolja jew metodu ta' {{4}temperatura għolja.
2.2 Grafita Sintetika ta' Purità Għolja-
Il-grafita sintetika ġeneralment tirreferi għal materjali tal-grafita prodotti bl-użu ta' kokk tal-pitrolju ta' kwalità għolja u kokk taż-żift bħala aggregati, iż-żieda taż-żift tal-qatran tal-faħam bħala binder u aċċessorji oħra, segwit minn serje ta' trattamenti ta' grafitizzazzjoni ta'-temperatura għolja. Ġeneralment, il-materja prima tiġi ttrattata b'mod preliminari u mbagħad titqiegħed f'reattur speċjali ta'-temperatura għolja għall-grafitizzazzjoni u l-purifikazzjoni. It-tipi ewlenin tal-forn jinkludu fran tal-grafitizzazzjoni Acheson, fran tal-grafitizzazzjoni tas-serje interna, u fran elettriċi tal-grafitizzazzjoni kontinwa. It-temperatura ultra-għolja fil-forn grafitizza l-kokk tal-pitrolju u l-kokk taż-żift, u l-gass aloġenu jiġi introdott biex jirreaġixxi ma 'impuritajiet, li mbagħad jiġu gassifikati u volatilizzati biex tinkiseb grafita ta'-purità għolja.
Għalkemm parti mill-impuritajiet fil-kokk taż-żejt u l-kokk taż-żift jistgħu jitneħħew waqt-kalċinazzjoni f'temperatura għolja fil-produzzjoni ta' grafit sintetiku ta' purità għolja-, hemm rekwiżiti ċari għall-kontenut ta' kubrit u rmied fil-materja prima tal-kokk taż-żejt. Biż-żieda fl-użu ta' żejt mhux raffinat tal--kubrit, il-kokk tal-pitrolju b'ħafna-kubrit qed jikber ukoll. Biex tissodisfa r-rekwiżit ta'-kubrit baxx tal-kokk tal-pitrolju għall-produzzjoni sintetika tal-grafita ta'-purità għolja, ħafna studjużi wettqu-riċerka fil-fond dwar proċessi ta' desulfurizzazzjoni tal-kokk tal-pitrolju raġonevoli u effiċjenti.
Il-purità tal-grafita tiddetermina l-prestazzjoni tas-servizz u l-proprjetajiet komprensivi tal-prodotti tal-ipproċessar-deep tal-grafita. Aktar ma tkun għolja l-purità, iktar ikun għoli l-valur tal-applikazzjoni. Per eżempju:
Il-grafita bħala materjal tal-anodu għall-batteriji tal-litju-jone teħtieġ purità 'l fuq minn 99.98%;
Grafita naturali għal djamant artifiċjali sintetiku teħtieġ purità 'l fuq minn 99.999%, b'kontenut ta' boron taħt 0.01 × 10⁻⁶;
Grafita speċjali għall-ajruspazju, id-difiża nazzjonali u l-industrija nukleari teħtieġ purità ta '99% ~ 99.99% jew saħansitra ogħla;
Trab tal-grafita għas-sintetizzazzjoni ta' wejfers SiC semikondutturi tat-tielet-ġenerazzjoni jeħtieġ purità għolja sa 99.9995% jew aktar.
Il-purifikazzjoni tal-grafita hija l-pedament għall-preparazzjoni tal-materjali kollha tal-grafita u kwistjoni komuni fl-iżvilupp tal-materjali tal-grafita. Proċessi ta 'purifikazzjoni tal-grafita b'konsum baxx ta' enerġija, kapaċità għolja u tniġġis baxx huma l-fokus ta 'R&D attwali.
3. Teknoloġiji tal-Purifikazzjoni tal-Graphite
3.1 Metodu ta 'flotazzjoni
Bl-użu tal-floatability tajba tal-grafita naturali, il-proċessi tal-flotazzjoni bi flussi f'diversi-stadji huma ddisinjati biex jisseparaw il-grafita flake jew il-grafita mikrokristallina minn minerali assoċjati bħall-kawlina, il-kwarz, u l-majka f'mineral tal-grafita naturali. Din it-teknoloġija tista 'tarrikkixxi ħafna minerali tal-grafita naturali bi grad taħt l-20% f'konċentrat tal-grafita b'purità ta' 95%, li tintuża l-aktar bħala materja prima għall-produzzjoni ta 'grafita naturali ta' purità għolja-.
3.2 Metodu tal-Alkali-Aċidu
Il-proċess ta 'purifikazzjoni jinkludi fużjoni alkali u aċidolisi. Fil-fużjoni alkali, impuritajiet fil-grafita bħal Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, MgO, CaO jirreaġixxu ma 'NaOH f'temperatura għolja biex jiffurmaw idrossidi li ma jinħallux fl-ilma-; xi impuritajiet (eż., SiO₂) jipproduċu prodotti solubbli fl-ilma-, li jitneħħew bil-lissija u l-ħasil tal-ilma. Fl-aċidoliżi, il-grafita u l-idrossidi wara l-fużjoni ta 'l-alkali jitħalltu ma' aċidu idrokloriku ta 'ċerta konċentrazzjoni għal lissija sħuna, jaqilbuhom fi kloruri solubbli li mbagħad jinħaslu bl-ilma. Grafit ta' purità għolja-b'purità 'l fuq minn 99% tista' tinkiseb wara l-aċidolisi.
Fil-preżent, il-metodu tal-aċidu alkali-jintuża ħafna fl-industrija, b'vantaġġi bħal investiment ta' darba-baxx, grad għoli, u adattabilità qawwija tal-proċess. Madankollu, għandu wkoll żvantaġġi li jinkludu domanda ta 'kalċinazzjoni f'temperatura għolja-, konsum għoli ta' enerġija, ħin twil ta 'reazzjoni, korrużjoni serja ta' tagħmir, telf kbir ta 'grafita, u tniġġis sever tal-ilma tad-drenaġġ.
3.3 Metodu ta 'Inkaljar tal-Klorinazzjoni
F'madwar 1000 grad, il-gass tal-kloru jiġi introdott fil-grafita. Bl-użu tal-proprjetà ossidanti qawwija tal-kloru, l-impuritajiet tal-ossidu tal-metall fil-grafita huma ossidizzati fi kloruri b'temperaturi ta 'gassifikazzjoni aktar baxxi. Taħt din it-temperatura, il-kloruri tal-metall jistgħu jiġu gassifikati malajr u skarikati fi kwantitajiet kbar, u tirrealizza l-purifikazzjoni tal-grafita.
L-inkaljar tal-klorinazzjoni ġeneralment jintuża bħala proċess supplimentari għall-purifikazzjoni tal-grafita, tqabbil ma 'proċessi oħra, u għandu vantaġġi ovvji speċjalment fit-tneħħija tal-impuritajiet tal-metall. Madankollu, it-tossiċità, il-korrużività u t-tniġġis ambjentali tal-kloru jirrestrinġu l-popolarizzazzjoni ta 'dan il-proċess sa ċertu punt. Barra minn hekk, huwa diffiċli li tipproduċi grafita ta 'purità ultra-għolja-, u s-sistema instabbli taffettwa wkoll l-applikazzjoni prattika tagħha.
3.4 Metodu ta 'Aċidu Idrofluworiku
L-impuritajiet fil-mineral mhux maħdum jirreaġixxu ma' l-aċidu idrofluworiku biex jiġġeneraw fluworidi u fluworosilikati solubbli fl-ilma, li jitneħħew bil-ħasil ta' l-ilma biex tinkiseb grafita ta' grad-għoli.
Il-vantaġġi ewlenin tal-metodu tal-aċidu idrofluworiku huma effiċjenza għolja tat-tneħħija tal-impurità, grad għoli tal-prodott, impatt żgħir fuq il-prestazzjoni tal-grafita, u konsum baxx ta 'enerġija. L-iżvantaġġ huwa li l-aċidu idrofluworiku huwa tossiku ħafna u korrużiv, li jeħtieġ miżuri stretti ta 'protezzjoni tas-sigurtà fil-produzzjoni, u investiment għoli ta' protezzjoni ambjentali jnaqqas ħafna l-kompetittività ekonomika tiegħu.
3.5 Metodu ta' Purifikazzjoni ta'-Temperatura Għolja
Ibbażat fuq il-prinċipju li l-grafita għandha punt għoli tat-togħlija filwaqt li impuritajiet oħra għandhom punti ta 'togħlija baxxi, grafita naturali b'kontenut ta' karbonju ta 'madwar 80% titqiegħed f'forn ta' purifikazzjoni f'1500 grad biex tissikka u tneħħi impuritajiet ta '-togħlija baxxa. Imbagħad jidħol f'forn f'25002800 grad biex tneħħi aktar impuritajiet, u finalment forn f'28003200 grad b'gassijiet HF u HCl xierqa. Dawn il-gassijiet jirreaġixxu ma' impuritajiet tal-metall li jagħalu-għoli f'temperatura għolja biex jiffurmaw fluworidi u kloruri li jagħalu baxx-, li huma gassifikati u skarikati. B'dan il-mod, il-grafita naturali hija purifikata għal kontenut ta 'karbonju ta' 99.99% ~ 99.9998%.
Fatturi ewlenin li jaffettwaw il-purità tal-grafita jinkludu l-kwalità tal-materja prima, il-purità tal-griġjol tal-grafita, il-metodu tat-tisħin tal-grafita u d-daqs tal-partiċelli tal-grafita. Dan il-proċess għandu rekwiżiti għoljin għall-purità tal-materja prima, il-finezza tal-materjal u t-teknoloġija tat-tagħmir, b'konsum għoli ta 'enerġija u investiment enormi. Għalhekk, l-applikazzjoni attwali tagħha hija limitata, prinċipalment f'oqsma speċjali bħall-ajruspazju, id-difiża nazzjonali u l-industrija nukleari b'rekwiżiti ta 'kwalità tal-grafita estremament għolja.
3.6 Metodu ta' Purifikazzjoni tal-Gass tal-Aloġenu
Applikazzjonijiet industrijali ta' livell għoli-(eż., industrija tas-semikondutturi) jeħtieġu purità tal-grafita 'l fuq minn 99.999%, li ma tistax tinkiseb permezz ta' purifikazzjoni ta'-temperatura għolja biss. L-industrija ġeneralment tadotta l-metodu ta 'purifikazzjoni tal-gass aloġenu (imsejjaħ ukoll purifikazzjoni fiżika). B'temperatura tal-forn miżjuda u grad ta 'vakwu, xi impuritajiet fil-prodotti tal-grafita volatilizzaw awtomatikament. Għal impuritajiet oħra li jeħtieġu temperaturi ogħla, gassijiet aloġeni (prinċipalment klorin u idrokarburi aloġenati) jikkonvertuhom f'alidi b'punti ta 'tidwib u togħlija baxxi. Taħt l-azzjoni magħquda, l-impuritajiet jitneħħew biex tinkiseb purifikazzjoni tal-grafita.
4. Applikazzjonijiet ta' Graphite ta' Purità Għolja
4.1 Materjali Lubrikanti
Bħala wieħed mill-lubrikanti solidi komuni, l-istruttura f'saffi tal-grafita tagħtiha propjetajiet lubrikanti lilu nnifsu-. Taħt tensjonijiet kompressivi u ta 'shear waqt frizzjoni niexfa mal-metalli, saffi tal-grafita jiżolqu, li jiffurmaw film irqiq tat-trasferiment tal-grafita fuq il-wiċċ tal-frizzjoni tal-metall mikroskopikament. Għalhekk, il-koeffiċjent tal-frizzjoni niexfa bejn il-grafita u l-metall huwa aktar baxx minn dak bejn il-metalli, u jagħmilha materjal tipiku li jillubrika lilhom infushom.
Metalli f'pari ta 'frizzjoni tal-metall-grafita ġeneralment jinkludu azzar 45#, azzar 40Cr, azzar li ma jissaddadx, ħadid fondut, liga tar-ram, eċċ. Il-prestazzjoni tal-frizzjoni u l-ilbies tal-pari tal-metall tal-grafita- hija relatata mill-qrib mat-tip u l-proprjetajiet tal-materjali tal-metall. It-tnaqqis tal-frizzjoni u l-ilbies bejn il-pari ta 'frizzjoni mekkanika huwa l-mod ewlieni biex tittejjeb l-effiċjenza u l-ħajja tas-servizz tal-partijiet mekkaniċi. L-istudju tal-effetti tat-tagħbija, it-temperatura, il-veloċità li jiżżerżqu, il-morfoloġija tal-wiċċ u n-nisġa jgħin biex testendi l-ħajja tas-servizz tal-pari tal-frizzjoni tal-metall tal-grafita-.
4.2 Materjali tas-siġillar
Il-grafita estiża tista 'tiġi pproċessata f'grafita flessibbli wara trattament ta' wara-, b'koeffiċjent ta 'espansjoni termali baxx (1×10⁻⁶~30×10⁻⁶ K⁻¹). Ma jsirx fraġli jew xquq f'temperaturi baxxi, u lanqas irattab jew creep f'temperaturi għoljin.
Meta mqabbel ma 'materjali tas-siġillar tradizzjonali (asbestos, gomma, ċelluloża u l-komposti tagħhom), il-grafita flessibbli għandha firxa wiesgħa ta' temperatura tas-servizz (200 ~ 450 grad fl-arja). Għalhekk, il-grafita estiża tintuża ħafna bħala materjal tas-siġillar f'makkinarju, metallurġija, karozzi, bini tal-vapuri, petrokimiċi u oqsma oħra.
4.3 Materjali - Ritardanti tal-Fjammi
Il-grafita estiża tista 'tiġi kkombinata ma' polimeri, reżini, eċċ biex tipproduċi materjali reżistenti għan-nar. F'każ ta 'nar, grafita espansibbli tespandi malajr biex tifforma saff ta' insulazzjoni termali estiż fuq il-wiċċ tal-materjal, li jipprovdi insulazzjoni tas-sħana eċċellenti u jimblokka r-rilaxx ta 'gassijiet tossiċi.
4.4 Materjali Komposti ta 'elettrodu
Il-grafita espansibbli tintuża biex tipprepara diversi materjali ta 'elettrodi tal-batterija minħabba l-wiċċ attiv għoli tagħha, stabbiltà kimika għolja, konduttività termali u elettrika tajba, u preparazzjoni faċli. L-istruttura stabbli tagħha effettivament tirrestrinġi l-espansjoni tal-volum tal-materjali tal-elettrodu (eż., f'batteriji Li/S jew Li/Si) waqt iċ-ċikliżmu, ittejjeb il-ħajja taċ-ċiklu.
Barra minn hekk, l-ispazjar akbar bejn is-saffi tal-grafita espansibbli jipprovdi aktar spazju għall-interkalazzjoni ta 'Li⁺, Na⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ f'batteriji sekondarji tal-metall-jone (litju-jone, sodju-joni, manjesju-jone, kapaċità ta' ħażna ta' żingu{4}}joni ta' enerġija u kapaċità ta' tkabbir tal-enerġija. Il-grafita espansibbli tista 'tintuża wkoll bħala materjal ta' elettrodu għal supercapacitors.
Barra minn hekk, komposti tal-grafita estiża b'matriċi polimeru huma ħfief, bi prezz baxx-u faċli biex jiġu ffurmati. Il-proprjetajiet elettriċi jistgħu jiġu aġġustati ħafna billi tinbidel id-dożaġġ ta 'grafita estiża.
4.5 Manifattura Tradizzjonali u Għolja
Elettrodi metallurġiċi u industrija tal-funderija huma oqsma ta 'konsum tradizzjonali ewlenin tal-grafita, prinċipalment użati għat-tidwib ta' elettrodi u kisi għall-ikkastjar ta 'forom ta' azzar, ram, aluminju u metalli oħra mhux tal-ħadid. Id-domanda għall-grafita fil-manifattura tal-lapsijiet tibqa' relattivament stabbli.
Materjali tal-grafita għandhom struttura sempliċi, manutenzjoni-ħieles, reżistenza għall-ilbies, kapaċità ta' ġarr ta' tagħbija-għoli u reżistenza qawwija għall-impatt, u jintużaw ħafna f'komponenti ta' tagħmir fuq skala kbira-f'enerġija nukleari, idroenerġija, aerospazjali u oqsma militari.
4.6 Materjali tal-Enerġija Nukleari
Il-grafita għall-enerġija nukleari tintuża ħafna fil-qalba ta' reatturi mkessħa b'-gass b'temperatura għolja-, bħal kondjuwiti, elementi tal-fjuwil u komponenti ta' appoġġ. Berings u berings gwida f'pompi prinċipali nukleari avvanzati fir-Russja jużaw l-aktar grafita silikonizzata. Il-grafita għandha prestazzjoni nukleari eċċellenti u ħafna drabi tintuża bħala moderatur u riflettur fir-reatturi.
4.7 Materjali Semikondutturi
Fl-industrija tas-semikondutturi, il-prodotti tal-grafita jintużaw ħafna f'tagħmir ta 'trattament tas-sħana ta'-temperatura għolja bħal fran tat-tkabbir tal-kristall, fran tal-karbonizzazzjoni u fran tal-grafitizzazzjoni.
Prodotti tal-grafita ta' purità għolja-għal-karbur tas-silikon semikonduttur tat-tielet-ġenerazzjoni (SiC) jinkludu griġjoli tal-grafita, ħiters u trab għat-tkabbir tal-kristalli, li l-purità tagħhom tiddetermina l-kwalità tal-kristalli SiC. Purifikazzjoni ta 'tali grafita ta' purità għolja normalment tadotta metodi fiżiċi -kimiċi, li jeħtieġu purità Akbar minn jew ugwali għal 99.9995%, b'limiti stretti fuq impuritajiet individwali (eż., B Inqas minn jew ugwali għal 0.05 × 10⁻⁶, Al Inqas minn jew ugwali għal 0.05 × 10⁶).
4.8 Materjali Djamanti Sintetiċi
Fil-preżent, djamant ta' kristall wieħed-sintetizzat prinċipalment permezz ta' metodu ta' -Pressjoni Għolja-Temperatura (HPHT) u metodu ta' Depożizzjoni Kimika tal-Fwar (CVD). CVD juża gassijiet li fihom l-idroġenu-(metan, idroġenu, eċċ.), li jwasslu għal impuritajiet tal-idroġenu u stress fil-kristalli tad-djamanti. Djamant HPHT b'ligi tradizzjonali bħala katalisti fih ċerti impuritajiet tal-metall, li jagħmlu s-sintesi ta 'djamant "ultra-pur" diffiċli ħafna u ta' sfida.
Recent breakthroughs in static ultra-high pressure technology have enabled direct synthesis of diamond from graphite under extreme P-T conditions (>15 GPa, 2000 grad). Taħt kundizzjonijiet bħal dawn, il-grafita tittrasforma f'djamant malajr, u tipproduċi aggregati polikristallini ta' daqs ċentimetru-b'purità għolja.
Konklużjoni
Il-forom ewlenin ta 'grafita utilizzati fiċ-Ċina jinkludu grafita ta' purità għolja-, grafita tal-ippressar iżostatika, grafita espansibbli, grafita fluworinata, grafita kollojdali u grafen. It-titjib tal-purità tal-grafita huwa rekwiżit komuni fost il-prodotti kollha tal-grafita-fundamentali iżda ta' sfida.
Hekk kif id-domanda għall-grafita ta'-purità għolja f'oqsma ta'-teknoloġija għolja qed tkompli tikber u r-rekwiżiti ta' purità qed isiru dejjem aktar stretti, teknoloġiji relatati qegħdin fi stadju kritiku jistennew skoperti.
