گرافیت چه کاربردهایی در صنعت دارد؟

کربن به دو شکل آلوتروپیک بلوری طبیعی وجود دارد. گرافیت و الماس هر کدام ساختار کریستالی و خصوصیات جداگانه خود را دارند. اصطلاح گرافیت از کلمه یونانی graphein گرفته شده است که به معنی نوشتن است. این ماده معمولا به رنگ سیاه مایل به خاکستری و مات بوده، دارای براقیت مشکی درخشنده‌ای است که سمی نیست. گرافیت ماده‌ای مجزا است زیرا خواص فلز و غیر فلز را نمایش می‌دهد.

گرچه گرافیت انعطاف‌پذیر است؛ اما الاستیک نیست و از هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی برخوردار است. از نظر شیمیایی بی اثر بوده و بسیار نسوز است. مواد گرافیت مورد استفاده در صنعت هرگز دارای ساختار کامل نیستند بلکه یک فرم گذرا بین کربن آمورف و کریستال گرافیت هستند.

از آنجا که گرافیت میزان جذب کم اشعه X و نوترون را نشان می‌دهد، در کاربردهای هسته‌ای بسیار ارزشمند است. همچنین به‌عنوان پوشش‌ها، روان‌کننده‌ها و مواد نسوز در تولید رنگ و تولید مداد از گرافیت استفاده می‌شود.

در سال 2000، تولید گرافیت در سراسر جهان حدود 602000 تن تخمین زده شد و چین بزرگترین تولیدکننده گرافیت است و پس از آن هند، مکزیک، برزیل و جمهوری چک قرار دارند.

کاربردهای گرافیت

خواص گرافیت تعیین‌کننده انواع زمینه‌های کاربردهای آن در صنعت است. مهم‌ترین خصوصیت‌های گرافیت شامل: مقاومت حرارتی بالا، اصطکاک کم و خودروانکاری، هدایت الکتریکی بالا، هدایت حرارتی بالا، قابلیت ترشوندگی کم توسط فلزات مایع و مقاومت بالا در برابر تابش نوترون است.

1. موادنسوز یا دیرگداز

باتوجه به ثبات در دمای بالا و بی‌اثر بودن شیمیایی، گرافیت بهترین گزینه برای موادنسوز است. این ماده در تولید آجرهای نسوز و همچنین آجرهای نسوز “مگ-کربن” (Mg-C) برای پوشش کوره‌های تولیدی فولاد تا 25 درصد استفاده می‌شود. علاوه بر این، از گرافیت برای تولید بوته، ملاقه و قالب برای نگهداری فلزات مذاب استفاده می‌شود. همچنین، گرافیت یکی از اساسی‌ترین مواد مورد استفاده در تولید مواد نسوز کاربردی برای ریخته‌گری مداوم فولاد است.

در تولید آهن، بلوک‌های گرافیت برای تولید بخشی از پوشش کوره بلند استفاده می‌شود. مقاومت ساختاری آن‌ها در دمای بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی، رسانایی گرمایی بالا، انبساط حرارتی کم و مقاومت شیمیایی خوب در این کاربرد بسیار مهم است.
الکترودهای مورد استفاده در بسیاری از کوره‌های متالورژی الکتریکی از گرافیت تولید می‌شوند، مانند کوره‌های قوس الکتریکی که برای پردازش فولاد استفاده می‌شوند.

2. صنعت شیمی

در بخش شیمی، گرافیت در بسیاری از کاربردهای دمای بالا مانند تولید فسفر و کاربید کلسیم در کوره‌های قوس استفاده می‌شود. همچنین از گرافیت به عنوان آند در فرآیندهای الکترولیتیک آبی خاص مانند تولید هالوژن (کلر و فلوئور) استفاده می‌شود. پودر گرافیت را به‌ عنوان روان‌کننده به روغن‌ها و گریس‌ها اضافه می‌کنند. یک روان‌کننده، مسئولیت کاهش اصطکاک بین سطوح و در نتیجه کاهش حرارت ایجاد شده میان دو سطح، هنگامی که نسبت به یکدیگر می‌لغزند را دارد؛ اما زمانی که یک سطح محرک، تحت دمای بسیار بالا (دماهایی بالاتر از دمای تبخیر روان‌کننده‌های مایع) و یا در معرض تشعشات شدید قرار دارد، می‌توان از جایگزین‌های دیگری مانند گرافیت استفاده کرد.

رافیت به‌عنوان روان‌کننده در دماهای بالاتر از 787 درجه سانتی گراد عمل کرده و مواد را تا دمای 1315 درجه سانتی گراد نگه می‌دارد. این ماده، با رطوبت موجود در هوا واکنش داده و یک فیلم نازک بر روی سطوح کنار هم تشکیل می‌دهد که سایش بین ذرات را نیز کاهش خواهد داد.

همچنین، مواد کاتدیک در باتری‌های روی – کربن و یون لیتیوم (رسانایی الکتریکی و مقاومت شیمیایی) حاوی پودر گرافیت با خلوص بالا هستند.

3. صنایع هسته‌ای

مقادیر زیادی الکتروگرافیت با خلوص بالا برای تولید میله‌های تعدیل‌کننده و اجزای بازتابنده در راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود (مقاوم در برابر تابش نوترون و دارای مقاومت حرارتی). مناسب بودن الکتروگرافیت به دلیل جذب کم نوترون، رسانایی گرمایی بالا و مقاومت بالا در دماهای بالاتر حاصل می‌شود.

4. کاربردهای الکتریکی

گرافیت عمدتا به عنوان یک ماده الکتریکی در ساخت جاروبک‌های کربن (رسانایی الکتریکی) در موتورهای الکتریکی با خلوص بالا استفاده می‌شود. در اینجا، طول عمر و عملکرد اجزا تا حد زیادی به درجه و ساختار بستگی دارد. کامپوزیت‌های آغشته به گرافیت – مس و گرافیت در کاربردهایی که به هدایت الکتریکی بالایی نیاز است، استفاده می‌شود مانند فناوری راه‌آهن، ژنراتورهای توربین بادی، ژنراتورهای تاکو.

5. کاربردهای مکانیکی

گرافیت به طور گسترده‌ای به عنوان ماده‌ای مهندسی در ساخت اجزایی مختلف مانند حلقه‌های پیستون، یاتاقان‌های رانش (کامپوزیت‌های گرافیتی)، یاتاقان‌های ژورنالی و پره‌ها استفاده می‌شود. از مهر و موم‌های پایه کربن در پمپ‌های سوخت و شافت موتور جت هواپیما استفاده می‌شود. پودر گرافیت 15٪ برای کنترل ضریب اصطکاک و اتلاف انرژی اصطکاک در لنت ترمز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در فویل‌های گرافیتی (مقاومت حرارتی، مقاومت شیمیایی) از پودر گرافیت ساخته شده توسط اسید سولفوریک تصفیه شده استفاده شده و تا ضخامت لازم نورد می‌شود. از این فویل‌های گرافیتی برای ساخت واشرها و بسته‌بندی‌های با درجه حرارت بالا استفاده می‌شود. قطعات خودرو، دریایی و هوافضا نیز از کامپوزیت‌های تقویت شده الیاف کربن ساخته شده‌اند. مواد استفاده شونده در صنایع هوافضا باید از مواد ساختاری با چگالی پایین بوده و شامل مشخصه‌هایی همچون استحکام بالا، سفت بودن،‌ مقاومت سایشی و ضربه‌ای بالا و به دور از خوردگی باشند. کامپوزیت‌های تقویت شده در الیاف کربن، در صنایع هوافضا مورد استفاده می‌گیرند.

«برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترود گرافیتی »