Ön söz
Qrafit unikal ikili metal və qeyri-metal xassələrə malik-vacib metal olmayan mineral ehtiyatdır. O, "21-ci əsrdə yüksək{3}}texnologiyanın inkişafını dəstəkləyən strateji resurs" kimi tanınır və uzun müddət "qara qızıl" kimi tanınır. Yüksək{6}}təmizlik qrafit 99,99%-dən çox karbon tərkibli qrafitə aiddir. O, əla yağlama, yüksək möhkəmlik, yaxşı elektrik keçiriciliyi, turşu/qələvi/korroziya/istiliyə davamlılıq, aşağı genişlənmə əmsalı, əla kimyəvi dayanıqlıq, yüksək sızdırmazlıq performansı, vahid və yığcam quruluşa malikdir. Elektrotexnika, metallurgiya, milli müdafiə, aerokosmik, energetika, kimya sənayesi və digər sektorlarda geniş istifadə olunur. Xüsusilə, üçüncü nəsil yarımkeçirici materialların hazırlanması, nüvə sənayesi və fotovoltaik sənaye kimi inkişaf etməkdə olan sənayelərdə həlledici və kritik rol oynayır və Çin iqtisadiyyatına geniş-təsir göstərir.
1. Qrafit filizinin xassələri
Qrafit, metal parıltısı və anizotropiyası olan parlaq qara rəngli, karbon elementlərindən ibarət mineraldır. Sıxlığı 2,09-2,23 q/sm³, ərimə temperaturu 3850 dərəcə, qaynama temperaturu 4250 dərəcə, istilik udma qabiliyyəti 6,9036×10⁷ J/kq olmaqla əla istilik dayanıqlığı göstərir.
2. Yüksək-Təmizlik Qrafit
2.1 Təbii Yüksək{1}}Təmizlik Qrafit
Xammaldan və hazırlanma üsullarından asılı olaraq yüksək{0}}təmizlikli qrafit təbii yüksək{1}}təmizlikli qrafit və sintetik yüksək{2}}təmizlikli qrafitə bölünə bilər.
Təbii yüksək{0}}təmizlikdə olan qrafit, odadavamlı materiallar, pas əleyhinə örtüklər, karbon elektrodları, generatorlar, sürtkü yağları və nüvə sənayesində qoruyucu materiallar kimi əla elektrik və istilik keçiriciliyinə görə müxtəlif sahələrdə geniş istifadə olunur. Sintetik yüksək{3}}təmiz qrafit, vahid morfologiyası və hissəcik ölçüsü paylanması ilə əvvəlcədən bişmiş anodlarda, xüsusi qrafitdə, nüvə sənayesində və digər sahələrdə tətbiq olunur. Yüksək təmizlikli qrafitin hazırlanma üsulları müxtəlif xammallara görə dəyişir.
Təbiətdə təmiz qrafit yoxdur. Qrafit filizində adətən kvars, pirit, karbonat kimi minerallar kimi mövcud olan SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO, P₂O₅, CuO kimi çirkləri, həmçinin su, asfalt, CO₂, H₂, N₂ və N₂, o cümlədən qaz komponentləri olur. Buna görə də, qrafitin təhlili yalnız sabit karbon tərkibinin deyil, həm də uçucu maddələrin və kül tərkibinin müəyyən edilməsini tələb edir. Qrafitin təmizlənməsi prosesləri bu çirkləri effektiv şəkildə aradan qaldırmaq məqsədi daşıyır. Qrafitin təmizliyi nə qədər yüksəkdirsə (yəni, karbon tərkibi bir o qədər yüksəkdir), onun dəyəri bir o qədər yüksəkdir və tətbiq dairəsi bir o qədər genişdir.
Təbii qrafitdən yüksək təmizlikli qrafitin hazırlanması adətən qrafit filizinin flotasiya yolu ilə ilkin təmizlənməsini, flotasiya konsentratının qələvi-turşu və ya hidrofluor turşusu üsulu ilə sonrakı təmizlənməsini və nəhayət, yüksək-təmizlik və ya yüksək temperatur üsulu ilə yüksək{2}}təmizlikli qrafit məhsullarının alınmasını nəzərdə tutur.
2.2 Sintetik Yüksək{1}}Təmizlik Qrafit
Sintetik qrafit ümumiyyətlə yüksək keyfiyyətli neft koksu və aqreqat kimi qatran koksu, bağlayıcı və digər aksesuarlar kimi kömür qatranının qatı əlavə edilərək, daha sonra bir sıra yüksək-temperaturda qrafitləşmə müalicəsi ilə əldə edilən qrafit materiallarına aiddir. Ümumiyyətlə, xammallar ilkin olaraq emal olunur və sonra qrafitləşdirmə və təmizlənmə üçün xüsusi yüksək temperatur reaktoruna- yerləşdirilir. Əsas soba növlərinə Acheson qrafitləşdirmə sobaları, daxili seriyalı qrafitləşdirmə sobaları və davamlı qrafitləşdirmə elektrik sobaları daxildir. Ocaqdakı ultra{6}}yüksək temperatur neft koksu və qatran koksu qrafitləşdirir və halogen qaz çirkləri ilə reaksiyaya daxil edilir, daha sonra yüksək-təmizlikdə olan qrafit əldə etmək üçün qazlaşdırılır və uçuculaşır.
Neft koksu və zibil koksundakı çirklərin bir hissəsi sintetik yüksək təmizlikli qrafit istehsalında yüksək{0}}temperaturda kalsinasiya zamanı çıxarıla bilsə də, neft koksu xammallarında kükürd və kül tərkibinə dair aydın tələblər var. Yüksək-kükürdlü xam neftin artan istifadəsi ilə yüksək-kükürdlü neft koksu da artır. Sintetik yüksək-təmizlikdə qrafit istehsalı üçün neft koksunun aşağı-kükürd tələbatını ödəmək üçün bir çox alimlər ağlabatan və səmərəli neft koksu kükürdsüzləşdirmə prosesləri üzrə-dərin tədqiqatlar aparmışlar.
Qrafitin təmizliyi qrafit dərin{0}}emal məhsullarının xidmət performansını və hərtərəfli xüsusiyyətlərini müəyyən edir. Təmizlik nə qədər yüksəkdirsə, tətbiq dəyəri də bir o qədər yüksəkdir. Məsələn:
Litium{0}}ion batareyaları üçün anod materialı kimi qrafit 99,98%-dən yuxarı təmizlik tələb edir;
Sintetik süni almaz üçün təbii qrafit 99,999%-dən yuxarı təmizlik tələb edir, bor miqdarı 0,01×10⁻⁶-dən aşağıdır;
Aerokosmik, milli müdafiə və nüvə sənayesi üçün xüsusi qrafit 99% ~ 99.99% və ya daha yüksək təmizlik tələb edir;
Üçüncü nəsil yarımkeçirici SiC vaflilərinin-sintezi üçün qrafit tozu 99,9995% və ya daha yüksək təmizlik tələb edir.
Qrafitin təmizlənməsi bütün qrafit materiallarının hazırlanması üçün əsasdır və qrafit materiallarının inkişafında ümumi məsələdir. Aşağı enerji sərfiyyatı, yüksək tutumlu və aşağı çirklənmə ilə qrafit təmizləmə prosesləri cari R&D-nin diqqət mərkəzindədir.
3. Qrafit Təmizləmə Texnologiyaları
3.1 Flotasiya metodu
Təbii qrafitin yaxşı üzmə qabiliyyətindən istifadə edərək, çoxmərhələli axınları olan flotasiya prosesləri təbii qrafit filizindəki kaolin, kvars və slyuda kimi əlaqəli minerallardan lopa qrafiti və ya mikrokristal qrafiti ayırmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur. Bu texnologiya 20%-dən aşağı dərəcəli təbii qrafit filizini 95% təmizliyə malik qrafit konsentratına çevirərək zənginləşdirə bilər ki, bu da əsasən təbii yüksək{4}}təmizlikdə qrafitin istehsalı üçün xammal kimi istifadə olunur.
3.2 Qələvi-Turşu üsulu
Təmizləmə prosesinə qələvi birləşmə və asidoliz daxildir. Qələvi birləşməsində Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, MgO, CaO kimi qrafitdəki çirklər yüksək temperaturda NaOH ilə reaksiyaya girərək suda-həllməyən hidroksidlər əmələ gətirir; bəzi çirklər (məsələn, SiO₂) suda həll olunan-məhsullar əmələ gətirir və bu məhsullar suyun yuyulması və yuyulması ilə çıxarılır. Asidolizdə qələvi birləşmədən sonra qrafit və hidroksidlər isti yuyulma üçün müəyyən konsentrasiyalı xlorid turşusu ilə qarışdırılır və sonra su ilə yuyulan həll olunan xloridlərə çevrilir. Saflığı 99%-dən yuxarı olan yüksək-təmiz qrafit asidolizdən sonra əldə edilə bilər.
Hal-hazırda qələvi{0}}turşu metodu sənayedə geniş şəkildə istifadə olunur, bir dəfəyə az investisiya, yüksək dərəcəli və güclü proses uyğunluğu kimi üstünlükləri ilə. Bununla belə, onun yüksək temperaturda kalsinasiya tələbi, yüksək enerji istehlakı, uzun reaksiya müddəti, ciddi avadanlıq korroziyası, böyük qrafit itkisi və ciddi çirkab su çirklənməsi daxil olmaqla çatışmazlıqları da var.
3.3 Xlorlama Qovurma Metodu
Təxminən 1000 dərəcədə xlor qazı qrafitə daxil olur. Xlorun güclü oksidləşdirici xüsusiyyətindən istifadə edərək, qrafitdəki metal oksidi çirkləri daha aşağı qazlaşma temperaturu ilə xloridlərə oksidləşir. Bu temperaturda metal xloridlər sürətlə qazlaşdırıla və qrafitdən təmizlənməni həyata keçirərək böyük miqdarda boşaldıla bilər.
Xlorla qovurma ümumiyyətlə qrafitin təmizlənməsi üçün əlavə bir proses kimi istifadə olunur, digər proseslərlə uyğun gəlir və xüsusilə metal çirkləri çıxarmaqda aşkar üstünlüklərə malikdir. Lakin xlorun toksikliyi, aşındırıcılığı və ətraf mühitin çirklənməsi bu prosesin populyarlaşmasını müəyyən dərəcədə məhdudlaşdırır. Bundan əlavə, ultra{2}}yüksək-təmizlikdə qrafit istehsal etmək çətindir və qeyri-sabit sistem də onun praktik tətbiqinə təsir göstərir.
3.4 Hidrofluor turşusu üsulu
Xam filizdəki çirklər hidrofluor turşusu ilə reaksiyaya girərək suda həll olunan flüoridlər və flüorosilikatlar-yaratırlar, bunlar yüksək- dərəcəli qrafit əldə etmək üçün su ilə yuyulur.
Hidrofluorik turşu metodunun əsas üstünlükləri yüksək çirklilik aradan qaldırılması səmərəliliyi, yüksək məhsul dərəcəsi, qrafit performansına kiçik təsir və aşağı enerji istehlakıdır. Dezavantaj odur ki, hidrofluor turşusu yüksək zəhərli və aşındırıcıdır, istehsalda ciddi təhlükəsizlik mühafizəsi tədbirləri tələb edir və yüksək ətraf mühitin mühafizəsi sərmayəsi onun iqtisadi rəqabət qabiliyyətini xeyli azaldır.
3.5 Yüksək{1}}Temperatur Təmizləmə Metodu
Qrafitin yüksək qaynama nöqtəsinə malik olduğu halda, digər çirklərin aşağı qaynama nöqtəsinə malik olması prinsipinə əsaslanaraq, karbon tərkibi təxminən 80% olan təbii qrafit aşağı qaynayan çirkləri qazlaşdırmaq və təmizləmək üçün 1500 dərəcədə təmizləyici sobaya yerləşdirilir. Daha sonra 2500-də sobaya daxil olurDaha çox çirkləri çıxarmaq üçün 2800 dərəcə və nəhayət 2800-də bir sobaMüvafiq HF və HCl qazları ilə 3200 dərəcə. Bu qazlar yüksək temperaturda yüksək-qaynar metal çirkləri ilə reaksiyaya girərək aşağı qaynayan ftoridlər və xloridlər əmələ gətirir, qazlaşdırılır və boşaldılır. Beləliklə, təbii qrafit 99,99% ~ 99,9998% karbon tərkibinə qədər təmizlənir.
Qrafitin saflığına təsir edən əsas amillərə xammalın keyfiyyəti, qrafit potasının təmizliyi, qrafitləşmənin qızdırılması üsulu və qrafit hissəciklərinin ölçüsü daxildir. Bu proses yüksək enerji sərfiyyatı və böyük investisiya ilə xammalın təmizliyinə, materialın incəliyinə və avadanlıq texnologiyasına yüksək tələblərə malikdir. Buna görə də, onun cari tətbiqi məhduddur, əsasən aerokosmik, milli müdafiə və nüvə sənayesi kimi son dərəcə yüksək qrafit keyfiyyət tələbləri ilə xüsusi sahələrdə.
3.6 Halojen qazının təmizlənməsi üsulu
Yüksək səviyyəli sənaye tətbiqləri (məsələn, yarımkeçiricilər sənayesi) 99,999%-dən yuxarı-qrafit təmizliyi tələb edir ki, bu da yalnız yüksək temperaturda təmizlənmə ilə əldə edilə bilməz. Sənaye ümumiyyətlə halogen qazın təmizlənməsi metodunu (həmçinin fiziki təmizləmə adlanır) qəbul edir. Artan soba temperaturu və vakuum dərəcəsi ilə qrafit məhsullarındakı bəzi çirklər avtomatik olaraq uçur. Daha yüksək temperatur tələb edən digər çirklər üçün halogen qazlar (əsasən xlor və halogenləşdirilmiş karbohidrogenlər) onları aşağı ərimə və qaynama nöqtələri olan halidlərə çevirir. Qarışıq hərəkətlə qrafit təmizliyinə nail olmaq üçün çirklər çıxarılır.
4. Yüksək-Saflıqlı Qrafit Tətbiqləri
4.1 Yağlama materialları
Ümumi bərk sürtkü yağlarından biri olan qrafitin laylı quruluşu ona-özünü sürtmə xassələri verir. Metallarla quru sürtünmə zamanı sıxılma və kəsmə gərginlikləri altında qrafit təbəqələri sürüşərək mikroskopik olaraq metal sürtünmə səthində nazik qrafit ötürmə filmi əmələ gətirir. Beləliklə, qrafit və metal arasındakı quru sürtünmə əmsalı metallar arasındakı sürtünmə əmsalı ilə müqayisədə daha aşağıdır, bu da onu tipik-özünü yağlayan material halına gətirir.
Metal{0}}qrafit sürtünmə cütlərindəki metallara adətən 45# polad, 40Cr polad, paslanmayan polad, çuqun, mis ərintisi və s. daxildir. Qrafit-metal cütlərinin sürtünmə və aşınma performansı metal materialların növü və xüsusiyyətləri ilə sıx bağlıdır. Mexanik sürtünmə cütləri arasında sürtünmə və aşınmanın azaldılması mexaniki hissələrin səmərəliliyini və xidmət müddətini yaxşılaşdırmağın əsas yoludur. Yükün, temperaturun, sürüşmə sürətinin, səth morfologiyasının və teksturasının təsirlərinin öyrənilməsi qrafit-metal sürtünmə cütlərinin xidmət müddətini uzatmağa kömək edir.
4.2 Sızdırmazlıq materialları
Genişlənmiş qrafit, aşağı istilik genişlənmə əmsalı (1×10⁻⁶~30×10⁻⁶ K⁻¹) olan-müalicədən sonra çevik qrafitə çevrilə bilər. Aşağı temperaturda kövrək olmur və çatlamır, yüksək temperaturda yumşalmır və sürünmür.
Ənənəvi sızdırmazlıq materialları (asbest, rezin, sellüloza və onların kompozitləri) ilə müqayisədə çevik qrafit geniş xidmət temperaturu diapazonuna malikdir (havada 200~450 dərəcə). Buna görə də, genişlənmiş qrafit maşınqayırma, metallurgiya, avtomobil, gəmiqayırma, neft-kimya və digər sahələrdə sızdırmazlıq materialı kimi geniş istifadə olunur.
4.3 Alova gecikdirici{1}}Materiallar
Genişlənmiş qrafit, odadavamlı materiallar istehsal etmək üçün polimerlər, qatranlar və s. ilə birləşdirilə bilər. Yanğın zamanı genişlənən qrafit materialın səthində genişlənmiş istilik izolyasiya təbəqəsi yaratmaq üçün sürətlə genişlənir, əla istilik izolyasiyası təmin edir və zəhərli qazların buraxılmasını maneə törədir.
4.4 Elektrod Kompozit Materialları
Genişlənən qrafit yüksək aktiv səthə, yüksək kimyəvi dayanıqlığa, yaxşı istilik və elektrik keçiriciliyinə və asan hazırlanmasına görə müxtəlif akkumulyator elektrod materiallarını hazırlamaq üçün istifadə olunur. Onun sabit strukturu velosiped sürmə zamanı elektrod materiallarının həcminin genişlənməsini (məsələn, Li/S və ya Li/Si akkumulyatorlarında) effektiv şəkildə məhdudlaşdırır, dövriyyə müddətini artırır.
Üstəlik, genişləndirilə bilən qrafitin daha böyük təbəqələrarası intervalı metal{0}}ion ikincil akkumulyatorlarda (litium-ion, natrium-ion, maqnezium{3}}ionu, sink tutumu və enerji tutumu{4}) Li⁺, Na⁺, Mg²⁺, Zn²⁺-nin interkalasiyası üçün daha çox yer təmin edir. sıxlıq. Genişlənən qrafit superkondensatorlar üçün elektrod materialı kimi də istifadə edilə bilər.
Bundan əlavə, polimer matrisli genişləndirilmiş qrafit kompozitləri yüngül, aşağı-qiymətlidir və qəliblənməsi asandır. Elektrik xüsusiyyətləri genişlənmiş qrafitin dozasını dəyişdirərək geniş şəkildə tənzimlənə bilər.
4.5 Ənənəvi və Yüksək-Son İstehsalat
Metallurgiya elektrodları və tökmə sənayesi qrafitin əsas ənənəvi istehlak sahələridir, əsasən elektrodların əridilməsi və polad, mis, alüminium və digər qara metalların-qəliblərinin tökülməsi üçün örtük üçün istifadə olunur. Qələm istehsalında qrafitə tələbat nisbətən sabit olaraq qalır.
Qrafit materialları sadə quruluşa,{0}}təmirsiz, aşınmaya davamlılığa, yüksək yükdaşıma qabiliyyətinə və güclü zərbə müqavimətinə malikdir və nüvə enerjisi, hidroenergetika, aerokosmik və hərbi sahələrdə geniş-miqyaslı avadanlıq komponentlərində geniş istifadə olunur.
4.6 Nüvə Enerjisi Materialları
Nüvə enerjisi üçün qrafit borular, yanacaq elementləri və dəstək komponentləri kimi yüksək{0}}temperaturlu qaz-soyudulan reaktorların nüvəsində geniş istifadə olunur. Rusiyadakı qabaqcıl nüvə əsas nasoslarında podşipniklər və istiqamətləndirici rulmanlar əsasən silikonlaşdırılmış qrafitdən istifadə edir. Qrafit əla nüvə performansına malikdir və tez-tez reaktorlarda moderator və reflektor kimi istifadə olunur.
4.7 Yarımkeçirici materiallar
Yarımkeçirici sənayedə qrafit məmulatları kristal böyümə sobaları, karbonlaşdırma sobaları və qrafitləşdirmə sobaları kimi yüksək-temperaturlu istilik müalicəsi avadanlıqlarında geniş istifadə olunur.
Üçüncü nəsil yarımkeçirici silisium karbid (SiC) üçün-təmizliyi yüksək olan qrafit məhsullarına saflığı SiC kristallarının keyfiyyətini təyin edən qrafit tigelər, qızdırıcılar və kristal böyüməsi üçün toz daxildir. Bu cür yüksək-təmizlikdə olan qrafitin təmizlənməsi adətən fiziki{4}}kimyəvi üsulları qəbul edir, təmizlik 99,9995%-dən çox və ya ona bərabərdir, fərdi çirklərə ciddi məhdudiyyətlər qoyulur (məsələn, B 0,05×10⁻⁶-dən az və ya ona bərabər, Al 0,05 × 0,01 və ya bərabər).
4.8 Sintetik almaz materialları
Hazırda monokristal almaz əsasən Yüksək-Təzyiq Yüksək-Temperatur (HPHT) üsulu və Kimyəvi Buxar Depoziti (CVD) üsulu ilə sintez edilir. CVD hidrogen{4}}tərkibində olan qazlardan (metan, hidrogen və s.) istifadə edir ki, bu da almaz kristallarında hidrogen çirklərinə və stressə səbəb olur. Katalizator kimi ənənəvi ərintiləri olan HPHT almazı müəyyən metal çirkləri ehtiva edir, bu da "ultra{7}}saf" almazın sintezini çox çətin və çətin edir.
Recent breakthroughs in static ultra-high pressure technology have enabled direct synthesis of diamond from graphite under extreme P-T conditions (>15 GPa, 2000 dərəcə). Belə şəraitdə qrafit sürətlə almaza çevrilir və yüksək təmizliyə malik santimetr-ölçülü polikristal aqreqatlar əmələ gətirir.
Nəticə
Çində istifadə edilən qrafitin əsas formalarına yüksək{0}}təmizlikli qrafit, izostatik preslənən qrafit, genişlənən qrafit, flüorlu qrafit, kolloid qrafit və qrafen daxildir. Qrafit təmizliyinin yaxşılaşdırılması bütün qrafit məhsulları arasında ümumi tələbdir-əsas, lakin çətin.
Yüksək texnologiya sahələrində yüksək-təmizlikdə olan qrafitə tələbat artmaqda davam etdikcə və təmizlik tələbləri getdikcə sərtləşdikcə, əlaqəli texnologiyalar kritik mərhələdə irəliləyişlər gözləyir.
