گرافیت ؛ پرمصرف ترین آلوتروپ کربن

مقدمه

گرافیت مادۀ مهمی است. طبق آمار منتشر شده از بانک جهانی، نیاز به عرضۀ گرافیت تا سال 2050 میلادی 500 برابر بیشتر از میزان کنونی خواهد بود! اما چرا؟! رسانایی بالای الکتریکی و حرارتی، ثبات شیمیایی فوق العاده، بازدارندگی در برابر تابش و مقاومت فشاری بالا، تنها بخشی از خواصی است که گرافیت را به یکی از مهم ترین مواد گذشته، حال و آینده تبدیل کرده است! در این مقاله سعی خواهیم کرد تا شما را با پرمصرف ترین آلوتروپ کربن بیشتر آشنا کنیم...

گرافیت چیست؟

در فناوری مواد کربنی (طبق استاندارد ASTM C709)، گرافیت عبارت است از ماده ای شامل عنصر غالب کربن که با توجه به نتایج آنالیز XRD دارای نظم کریستالوگرافی سه بعدی با دامنۀ بلند باشد.

این ماده یکی از آلوتروپ‌های کربن است که ساختار لایه لایه دارد. این ساختار لایه لایه باعث می شود صفحات گرافیت به راحتی روی یکدیگر بلغزند. بنابراین از این ترکیب می توان برای روان کاری و روغن کاری استفاده کرد.

علاوه بر این، از این دگرشکل کربن در الکترودهای کوره، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ‌ ها، فولادهای پر کربن، چدن‌ ها و نوک مداد نیز استفاده می ‌شود. گرافیت بر خلاف الماس (دیگر آلوتروپ کربن) هادی جریان الکتریکی‌ است. این ساختار، پایدارترین شکل کربن در شرایط استاندارد محیطی به شمار می رود.

شما خوانندگان این مطلب، ممکن است نام گرافن را نیز شنیده باشید. سعی کنید هیچوقت این دو ماده را اشتباه نگیرید، چرا که دو ساختار کاملا متفاوت هستند!

ساختار ورقه ورقه ای گرافیت

گرافيت از روی هم قرار گرفتن صفحاتی موازی به شکل لایه ای تشکیل شده است. در هر صفحه، اتم كربن با سه اتم ديگر پيوند كووالانسی تشکیل می دهد. این پیوندها سبب شکل گیری شبكه هگزاگونال پيوسته در ساختار گرافیت می شوند. از آن جا که این اتم ‌ها با پیوند کوالانسی به هم متصل هستند، قادر نیستند با کربنی خارج از این لایه پیوند کوالانسی تشکیل دهند.

برای شکل گیری صفحات لایه ای، الكترون ظرفیتی چهارم، به صورت هيبريدی با الكترونی از صفحۀ مجاور كه موقعيت مشخصی ندارد، جفت می شود. این جفت شدگی باعث ایجاد پيوند ضعيف واندروالسی می شود. فاصلۀ میان لایه ها، بيش از دو برابر فاصلۀ اتم ها در درون لایه ها و دو برابر شعاع كربن واندروالس است. اندازۀ این فواصل در شکل زیر مشخص است:

ساختار ورقه ای گرافیت

مشخصات فیزیکی و مکانیکی گرافیت

خواص فیزیکی و مکانیکی گرافیت

معمولا گرافیتی که در صنعت استفاده می شود، یکی از حالت های زیر را دارد:

گرافیت آمورف (Amorphous Graphite)

مطمئنا برای شما سوال شده که با توجه به وجود نظم در ساختار گرافیت، چرا به آن آمورف می گویند؟ در این جا واژه آمورف به کوچک بودن اندازه های کریستال بر می ‌گردد. در این نوع گرافیت، کریستال ها آن قدر کوچک هستند که قابل مشاهده نیستند.

گرافیت آمورف برای محصولات سطح پایین نظیر مداد، لنت ترمز، روغن روان کار و مواد افزودنی لاستیکی به کار می رود و معمولا پایین ترین قیمت را میان گونه های مختلف دارد.

درجۀ خلوص نوع آمورف در حالت غیر تصفیه، در محدوده  20 تا 40 % cg است (cg= محتوای گرافیت). خلوص این نوع کربن پس از تصفیه به  70 تا 80 % cg می رسد. است. بزرگترین ذخایر گرافیت آمورف متعلق به چین، مکزیک و آمریکا است. این گرافیت رنگی تیره (نزدیک به مشکی) دارد.

گرافیت آمورف

گرافیت ورقه ای (Flake Graphite)

گرافیت فلیک ورقه ای دارای خلوص کربن 85 تا 95 % cg است. این گرافیت ها معمولا با اندازه دانۀ 5 تا 20  میکرون و مش بندی  200 و 325 عرضه می شوند. این ساختار خاکستری رنگ بوده و حالت کریستالی آن کاملا مشخص است.

به سبب کیفیت بهتر آن نسبت به نوع آمورف، از نوع ورقه ای در صنایع متالورژی به خصوص صنایع شکل دهی کاربرد گسترده ای دارد. همچنین از این نوع در رنگ سازی، ساخت لنت و مداد  و… نیز استفاده می شود.  

گرافیت ورقه ای

گرافیت ورقه ای در سنگ ‌های دگرگون شده یا رسوبی و آهکی تشکیل می شود. معمولا قیمت نوع فلیک ۴ برابر نوع آمورف است. چین، برزیل و کانادا بزرگترین تولیدکنندگان این نوع گرافیت هستند.

گرافیت وین (Vein Graphite)

نوع وین نادرترین و قیمتی ترین نوع از گرافیت طبیعی است. وین ها بالاترین کیفیت را میان انواع گرافیت داشته و درجۀ خلوص کربن بدون پالایش آن ها 95 تا 99 % است. گرافیت وین درجه حرارت ذوب و هدایت الکتریکی بیشتری دارد. همچنین دارای بالاترین درجه از انسجام ساختاری در گرافیت ‌های طبیعی است.

گرافیت وِین، یا کیفیت ترین و گران ترین نوع گرافیت محسوب می شود.

گرافیت وین به آسانی قالب گیری می شود. این ویژگی به صرفه جویی در هزینه ها کمک می کند. در حال حاضر سریلانکا بهترین قلمروی تولید این نوع است. وین ها معمولا در تولید باتری های پیشرفته و صنایع الکتریکی کاربرد دارند.

گرافیت وِین (Vein)

گرافیت به چه روش هایی تولید می شود؟

استخراج طبیعی گرافیت ورقه ای

بیشتر گرافیتی که در سطح زمین دیده می ‌شود، در مرز صفحات همگرای زمین، در معرض گرما و فشار تشکیل می ‌شود. جالب است بدانید گرافیت ها موادی بد شانس هستند! چرا که اگر کمی فشار بیشتری روی آن ها وارد می شد، تبدیل به الماس می شدند!

زمانی که گرافیت در ابعاد زیاد انباشته ‌شود، می توان سنگ های آن را استخراج کرد. از خردایش این سنگ ها، ورقه‌ های گرافیتی موجود در آن‌ ها آزاد می شود. سپس از طریق فرایندهای شیمیایی مانند جداسازی بر اساس چگالی ویژه یا شناورسازی، می توان آن ها را پرعیار نمود.

کانی های ورقه ای بسیار نرم بوده و با کوچکترین فشاری می‌ شکنند. اما به شکل عجیبی شدیدا در برابر حرارت مقاوم اند. گرافیت ها در تماس با مواد دیگر هیچگونه واکنشی نشان نمی‌ دهند. به این دلیل بیشترین کاربرد این نوع در صنایع متالورژی و تولید سازه متمرکز شده است.

استخراج گرافیت آمورف

گرافیت آمورف، نوعی از گرافیت است که از دگرگونی رگه‌ های باریک زغال سنگ تولید می شود. مواد اصلی ارگانیک موجود در زغال سنگ شامل کربن، اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد هستند. حرارت اعمال شده در فرایند دگرگونی، این مولکول‌ های ارگانیک زغال سنگ را از بین می‌برد.

ماده ای که باقی می‌ ماند کربن تقریباً خالصی است که به شکل معدنی متبلور می ‌شود. این گرافیت در رگه‌ های باریکی تشکیل می ‌شود که به لایۀ اصلی زغال سنگ متصل هستند. این گرافیت ها را می توان با به کار گیری اسیدهای مختلفی پرعیار کرد. همان طور که ذکر کردیم، به دلیل کوچک بودن بلورهای این ماده، گرافیت بی شکل نام گرفته است.

تولید گرافیت به روش آچسون

در این فرایند سنگ آنتراسیت را به شکل پودر در آورده و به صورت کاملا فشرده شده در بوته های چینی می ریزند. بعد از آن، این بوته های چینی را در خلاء و در یک کوره الکتریکی تا دمای 1200 الی 1500 درجۀ سلسیوس حرارت می دهند. در نتیجۀ این عمل 98 درصد آنتراسیت به گرافیت تبدیل می شود. البته باید توجه شود که موفقیت این روش، تا حدود زیادی بستگی به امکان دستیابی به منبع ارزان تولید الکتریسیته دارد. از این رو این روش کاربرد گسترده ای در کشورهایی مثل کانادا دارد. (البته برق در ایران هم ارزان است و می توان به فکر این روش بود!)

کوره قوس الکتریکی (EAF)
یکی از روش های مهم تولید فولاد و چدن، ذوب و پالایش قطعات قراضه در کوره قوس الکتر...

تولید گرافیت از قیر

در این روش ابتدا کک دانه‌ بندی شده و سپس با قیر مذاب ترکیب می شود. این مخلوط پرس شده و در کوره ‌ای با دمای 1200 درجۀ سلسیوس قرار داده می‌ شود. بدیهی است که زمان پخت و سیکل آن، در خواص به دست آمده تاثیر خواهد داشت. در حین انجام فرایند پخت، می توان با افزودن موادی مانند رزین فنولیک، از کاهش چگالی ساختار جلوگیری کرد.

محصول فرایند پخت، مجددا در کوره ای با دمای 2400 تا 3000 درجۀ سلسیوس قرار می گیرد تا فرایند گرافیته شدن انجام شود. حتما باید توجه شود که دانه ‌بندی کک اولیه، تأثیر مهمی بر خواص گرافیت تولید شده دارد. به شکلی که هر چه دانه ‌بندی ریزتر باشد، خواص مکانیکی و الکتریکی محصول نهایی بهتر است. از طرف دیگر پخت آن مشکل ‌تر است و نیاز به زمان بیشتری دارد.

گرافیت موجود در آتش فشان ها و شهاب سنگ ‌ها

مقادیر بسیار کمی ‌از گرافیت به شکل ذراتی بسیار کوچکی در جریان ‌های آتشفشانی بازالت و سینیت یافت می ‌شود. همچنین در سنگ های پگماتیت‌ نیز مقادیری از آن دیده می‌ شود. برخی شهاب سنگ‌ های آهنی نیز گرافیت در خود دارند که استخراج این نوع از لحاظ اقتصادی ارزشی ندارد.

فرایند تولید گرافیت

استانداردهای کنترل خواص گرافیت

استانداردهای تعیین چگالی

برای تعیین چگالی گرافیت در صنایع مختلف، استانداردهای ASTM C838 و ASTM C559 معرفی شده اند. اساس کار محاسبۀ دانسیته در این استانداردها به این نحو است که با تقسیم وزن قطعۀ مکعبی گرافیتی، بر حجم حاصل از اندازه گیری ابعادی، مقدار حدودی چگالی به دست می آید.

استاندارد ASTM ASTM یک سازمان بین المللی توسعه  استاندارد است . این سازمان استان...
استاندارد ASTM

اما برای تعیین دانسیتۀ ظاهری، تخلخل ظاهری و نیز تعیین دقیق دانسیتۀ بالک، استانداردهای ASTM C373 و ASTM C1039 پیشنهاد می شوند. مبنای استاندارد ASTM C373 فرایند ارشميدس است. در این فرایند نمونه های گرافیتی در آب مقطر جوشان به مدت پنج ساعت شناور می شوند. سپس در مدت زمان 24 ساعت در آب مقطر با درجه حرارت محیط نگه داری می شوند. وزن نمونه در حالت غوطه ور در آب (S) اندازه گیری شده و نمونه از آب خارج می شود. آب اضافی سطح آن با ابر برداشته می شود تا وزن اشباع نمونه (M) به دست آید.

سپس قطعات با خشک کن حرارتی در دماي 110 درجۀ سلسیوس برای 24 ساعت خشک می شوند و وزن خشک آن ها (D) با استفاده از ترازوی ديجيتال دقيق با دقت یک ده هزارم گرم اندازه گيری می شود. سپس دانسیته ظاهری و بالک به ترتیب با روابط زیر محاسبه می شوند.

محاسبه چگالی گرافیت

استاندارد توزیع ابعاد حفرات

برای پوشش دهی با استفاده از گرافیت و بررسی مقاومت حرارتی آن، توزیع ابعاد حفرات نقش بسیار مهمی ایفا می کند. توزیع ابعاد حفرات گرافیت با استفاده از دستگاه تخلخل سنجی جیوه بر اساس استاندارد ASTM D4284 به دست می آید.

در این روش آنالیز، جیوه با فشار بالا تا حدود 2000 بار وارد حفرات (تخلخل های) نمونۀ گرافیتی می شود. با اندازه گیری میزان فشار لازم برای مقابله با کشش سطحی جیوه و ورود آن به تخلخل، قطر حفرات طبق معادله زیر محاسبه می گردد.

محاسبه تخلخل های گرافیت

در این معادله d قطر حفره، γ کشش سطحی جیوه، θ زاویۀ تماس بین جیوه و پایۀ گرافیتی (برابر با 141.3 درجه) و P فشار مطلق ناشی از نفوذ جیوه است.

تعیین مقاومت ویژۀ الکتریکی و تخمین دمای گرافیتاسیون

استاندارد ASTM C611 به تعیین مقاومت ویژۀ الکتریکی گرافیت پرداخته است. برای سنجش این پارامتر، نمونۀ گرافیتی به شکل لوله، میله یا مکعب مستطیل تهیه می شود. سطح این نمونه ها باید عاری از هرگونه عیب ظاهری باشند و تا زبری 0/8 میکرون صاف و صیقلی شوند.

طول نمونه ها در این آزمون باید حداقل شش برابر قطر (یا عرض) آن باشد. با اعمال جریان الکتریکی در دو وجه روبروی قطعه، طبق رابطۀ زیر مقاومت الکتریکی ویژه محاسبه می گردد.

مقاومت ویژه الکتریکی گرافیت

در این رابطه ρ مقاومت الکتریکی ویژه برحسب میلی اهم متر،  R مقاومت الکتریکی ماده با سطح مقطع یکنواخت برحسب اهم، A سطح مقطع نمونه برحسب میلی متر مربع و  Lفاصلۀ بین دو نقطۀ تماسی برحسب میلی متر است.

آنالیز وزن سنجی گرمایی

برای اجرای آزمون وزن سنجی گرمایی (TGA)، قطعات گرافیتی مطابق با استاندارد ASTM D6559 برش داده شده و به شکل استوانه با قطر 50 میلی متر با ارتفاع 50 میلی متر ماشین کاری می شوند. آنالیز حرارتی با نرخ جریان گاز 250 لیتر بر ساعت در چمبر (محفظۀ) حرارتی به قطر داخلی 100 میلی متر اجرا می گردد.

معرفی آنالیز TGA و DTG (توزین حرارتی و مشتق توزین حرارتی)

آنالیز حرارتی مواد به روش هایی می گوییم که با تغییر دما، تغییر در ویژگی های فیزی...

با استفاده از نمودار آنالیز وزن سنجی گرمایی، دمایی که در آن کاهش 15 درصدی وزن اتفاق بیفتد (یعنی T15) محاسبه می شود. با استفاده از مشتق این نمودار، نقطه آتش گیری (Ignition Temperature) که با Ti نشان داده می شود، محاسبه می شود. سپس دمايی که در آن حداکثر نرخ کاهش وزن رخ می دهد (Tm) حاصل می شود.

استانداردهای کیفیت گرافیتاستانداردهای بررسی کیفیت گرافیت

از گرافیت در چه صنایعی استفاده می شود؟

صنایع رنگ و آستر

رنگدانه های گرافیت قدرت پوشانندگی بسیار خوبی دارند. ساختمان ورقه ای توأم با سطح ویژۀ خاص این مواد سبب شده که قدرت گسترش بالایی در سطوح داشته باشند. این رنگدانه ها زمانی که در رنگ به کار می روند، لایه های آن ها به موازات سطح قرار گرفته و با یکدیگر تداخل می کنند.

از این رو رنگ های گرافیتی در مقابل نفوذ آب بسیار مقاوم هستند. همچنین گرافیت چسبندگی بالایی به فلزات دارد. بنابراین سبب افزایش چسبندگی رنگ به سطح می شود. این ماده در رنگ های تعمیراتی برای اسکلت های فولادی و همچنین آسترهای اولیه ضد خوردگی به کار می رود که در کاربرد دوم اغلب به صورت مخلوط با سرب قرمز استفاده می شود.

کاربرد گرافیت در صنایع رنگ و پوشش

روان کاری و کاهش اصطکاک

این ماده خاصیت روان کنندگی بالایی دارد، از این رو سال هاست که به عنوان روان کار خشک، برای جلوگیری از اصطکاک در دستگا‌های صنعتی استفاده می‌ شود. البته در کاربردهای روان کاری، معمولا این ماده در ترکیب با روغن استفاده می شود.

در بسیاری از کاربردها، روغن و کریستال های لایه ‌لایۀ گرافیت به تنهایی کافی نیستند. در این مواقع از افزودنی هایی مانند فلزات نرم (ایندیم، سرب، نقره، قلع)، پلی ‌تترافلوئورواتیلن، بعضی از اکسیدهای جامد، فلوریدهای نادر زمین و حتی الماس به همراه گرافیت استفاده می‌ شود. موارد استفاده از این روان کارها در فشرده ‌سازی هوا، بلبرینگ، اتصالات سرعت ثابت، قفل ها و غیره است.

مغز مداد

شاید مهم ترین کاربرد گرافیت که بیشترین استفاده را در زندگی روزمره ما دارد، به کارگیری آن در مغز مداد است. این ماده در صورت اختلاط با خاک رس، ترکیبی به وجود می آورد که در مغز مداد‌ وجود دارد. خاصیت روانی گرافیت و خشکی خاک رس وقتی ترکیب شوند، ماده ‌ای پدید می‌ آید که قابلیت اثر انداختن روی کاغذ را امکان پذیر می ‌کند.

مغز مداد از جنس گرافیت

صنایع متالورژی و الکترونیک

صنایع فلزات برای تولید برنج، مس و مفرغ نیازمند بوته ‌هایی نسوز هستند. برای فرایند تولید این مواد، غالبا از بوته‌ های گرافیتی نسوز استفاده می ‌شود. همچنین کاربرد الکترودهای گرافیتی در صنایع ذوب، یکی از مشخص ترین نمودهای اهمیت گرافیت در متالورژی است.

با انواع جرم نسوز بیشتر آشنا شوید
انواع جرم نسوز ( خاک نسوز )  که از  آن ها به عنوان جرم‌های کوره هم یاد...

جرم نسوز

همچنین این ماده در باتری ها، دستگا‌ه ‌های الکترونیکی (مخصوصا دستگاه ‌های تایپ الکتریکی) کاربردهای زیادی دارد. همچنین کاربرد این ماده در ساخت سیستم‌ های مخابره‌ ای، سیستم‌ های سوییچینگ و سیستم‌های رادار بسیار گسترده است.

تسلیحات نظامی

زغال نرم که نام دیگر گرافیت است، در ساخت بمب های گرافیتی کاربرد دارد. این بمب ‌ها وزنی معادل چهارصد و پنجاه کیلوگرم دارند و از لحاظ قیمتی بسیار ارزان و به صرفه هستند. البته، بمب‌ های گرافیتی آسیب عمرانی نداشته و بیشتر برای از کار انداختن نیروگا‌ها و تاسیسات برقی استفاده می شوند.

در این کاربرد، گرافیت که از جنس کربن است، با حلال ‌های کربن حل می شود. بنابراین روی تجهیزات نیروگاه ‌ها نشسته و باعث اتصالی و از کار افتادن سیستم های برقی می شود.  

در اواخر قرن نوزده میلادی، ارتش آمریکا در یک تمرین نظامی از این بمب استفاده کرد و باعث قطعی برق منطقه مورد آزمایش و خاموشی کلی آن منطقه شد. سپس این بمب توسط ارتش امریکا در «جنگ کوزو»  استفاده شد. این جنگ بین آمریکا و یوگوسلاوی شکل گرفته بود. استفاده از این بمب باعث قطعی برق بیش از دو سوم خاک یوگوسلاوی شد!

چین، ابرقدرت گرافیت جهان

سال هاست که چین بزرگترین تولیدکننده، صادرکننده و مصرف‌ کنندۀ گرافیت ورقه ‌ای در جهان است. البته واردات گرافیت ورقه ‌ای چین از آفریقا در 3 سال گذشته سیر صعودی داشته و از 20000 تن در سال 2017 به 63000 تن در سال 2018 و 197000 تن در سال 2019 میلادی رسید.

منبع اکثر واردات چین از پروژه ‌ای به نام «سایراریسورزس بالاما» در کشور موزامبیک است که تولید آن در اواخر سال گذشته میلادی به تدریج کمتر شده است. این شرایط سبب شد که چین موفق به کشف ذخایری شود که جای خالی ذخایر موزامبیک را پر کند.

معدن جدید در منطقۀ مغولستان داخلی قرار دارد و مجاورت آن با کشور چین، مزیت مهمی به شمار می رود. وب‌ سایت «روسکیل» که نزدیک 50 سال است در زمینۀ انتشار داده ‌های مرتبط با فلزات، مواد معدنی و صنایع شیمیایی و محصولات نهایی این صنایع فعالیت می‌کند، پیش‌بینی کرده این معدن عظیم گرافیت ورقه ‌ای، می‌تواند پاسخگوی نیاز چین به این ماده باشد تا این کشور جایگاه خود را به عنوان بزرگ‌ ترین تولیدکنندۀ گرافیت حفظ کند.

ذخایر گرافیتی ایران

گرافیت جزو کانی ‌هایی است که در ایران، بیشتر در محدودۀ سنندج- سیرجان دیده می شود. البته طبق نظر «بهروز برنا» معاون اکتشافات سازمان زمین ‌شناسی و اکتشافات معدنی، در ایران استان لرستان شرایط بهتری نسبت به دیگر مناطق کشور برای گرافیت ‌زایی دارد.

البته اثراتی از این دگرشکل کربن در استان های خراسان رضوی و سیستان و بلوچستان نیز دیده شده است. طبق نظر برنا، با وجود این ذخایر هنوز منبع قابل ‌قبول و مطمئنی برای تامین نیاز صنایع مصرف‌کننده داخلی در کشور نداریم.

بخش اعظم نیاز کشور به گرافیت از طریق واردات تامین می ‌شود. تا جایی که در سال ۹۳ معدن فعالی از این نوع ماده ‌معدنی در کشور ثبت نشده است! به طور کلی شرایط برای تشکیل گرافیت در جهان نیز محدود است و فقط تعداد محدودی از کشورها، ذخایر این ماده معدنی در اختیار داشته و می ‌توانند از آن استفاده و بهره ‌برداری کنند.

اگر قصد خرید گرافیت را دارید، لازم است به چند نکته توجه داشته باشید:

برای عرضه و فروش گرافیت، هیچگونه محدودیتی در ابعاد، وزن، بسته بندی یا دانه بندی وجود ندارد. در واقع این محصول ممکن است به هر شکلی در بازار موجود باشد و این کاربرد مورد نظر خریدار است که نوع خرید و فروش این ماده را مشخص می کند.

طبقه بندی گرافیت در بازار ممکن است بر اساس سختی، مورفولوژی و دیگر خواص آن انجام گیرد. برای تست اصالت و کیفیت می توان از آزمون احتراق استفاده کرد. ساختار تجاری این ماده در صورت احتراق، محتوای کربن آن می سوزد و یک باقی مانده سیلیسی سفید رنگ از خود باقی می گذارد. معمولا باقیمانده سوختن گرافیت بسیار کم است.

محصولات گرافیتی باید کاملا رسانای الکتریکی باشند. مقاومت فشاری بسیار بالایی داشته باشند و تحت فشار دچار گسیختگی نشوند. همچنین مقاومت حرارتی بالا، ثبات شیمیایی و ضد زنگ بودن این محصولات، می تواند برای تست کیفیت آن سنجش شوند.