Графит как добывают: Свойства графита, применение, характеристики, добыча

Описание графита. Свойства графита. Применение графита

Описание и свойства графита

Графит – это природный элемент, легко раскалываемый минерал, одна из модификаций углерода. Графит – материал очень мягкий, легко поддающийся механической обработке, обладает металлическим блеском. Графитовая формула – С (углерод).

Электропроводность графита, фото которого можно посмотреть выше, превышает ртутную электропроводимость в 2,5 раза. Удельное сопротивление электротока с температурой в 0 градусов находится в границах 0,390-0,602 Ом, а его самое низкое значение для различных видов данного элемента одно и то же – 0,0075 Ом.

Элемент отличается повышенной теплопроводимостью, коэффициент которой в 5 раз выше, чем имеет кирпич (0,041). Графитные медные цепочки отличаются более низкой теплопроводностью. Пределы температуры плавления – 3845-3890 С, кипение начинается при 4200 С. Во время сжигания элемента выделяется 7832 ккал тепла. Графит является диамагнитным.

Его основные химические свойства – инертность по отношению к жидкостям, газам и твёрдым веществам, способность растворяться в расплавленных металлах, с точкой плавления превышающей его собственную. На высокой температуре может взаимодействовать с другими элементами.

Не эластичен, но в то же время изгибается и режется. Благодаря жирности и пластичности имеет широкое применение в промышленном производстве. Жирность также позволяет применять его как смазочный материал. Плотность графита 2,23 г/ см3.

Графит отличается слоистой структурой, имеющей свои особенности. Атомы углерода кристаллической решётки графита представляют собой сотовые ячейки: шестиугольники, расположенные рядами. В каждом ряду атомы плотно связаны друг с другом, а ряды между собой имеют слабую связь. Поэтому графит легко сломать даже если только слабо надавить.

Твёрдость по шкале Мооса приравнивается к единице, в то время как у алмаза – десять, несмотря на тот факт, что алмаз и графит – это углеродовые подвиды. Всё дело в кристаллической решётке. У алмаза один атом углерода связан с четырьмя лежащими рядом. На основе исследований учёные доказали, что кристаллическая решётка графита при температуре выше 1500 С может преобразоваться в решётку алмаза.

В процессе переработки как физические, так и химические свойства графита меняются, поэтому его классифицировали на марки, которые имеют соответствующие  различия. В промышленности отдельная марка графита используется для определённого вида продукции.

Графит подразделяется на естественный (природный) и искусственный. При его производстве учитывают свойства  в зависимости от назначения продукции. Естественный в свою очередь делится на графит кристаллический и скрытокристаллический, представляет собой порошок, похожий на порох.

Производители продукции из графита предъявляют свои требования к сырью в зависимости от его назначения. В соответствии с этим проведена маркировка, и сейчас вырабатываются различные марки графита, имеющие каждая свое предназначение.

Среди них электроугольная, литейная, элементная, аккумуляторная, карандашная, смазочная, а также специальная марка по производству графита для ядерных реакторов. Весь производимый графит должен соответствовать техническим требованиям в зависимости от области  его применения.

Месторождения и добыча графита

Ресурсы графита во всём мире составляют примерно 600 млн т, а его ежегодная добыча свыше 600 тыс. т. Наибольшими запасами владеют Мексика, Китай, Чехия, Бразилия, Украина, Россия, Южная Корея, Канада. Образовался этот минерал метаморфизацией осадочных пород из органических соединений. Месторождения графита с давних времён представляют интерес с экономической точки зрения и оцениваются мощностью в миллионы тонн.

Разработка этих месторождений обеспечивает промышленность необходимым сырьём. Натуральный графит встречается в виде плотных кристаллических или волокнистых вкраплений в граниты, известковые породы, гнейсы, слюду. Он образует большие скопления в виде непрозрачных, серых, землистых или чешуйчатых масс. Цвет графита в пределах от серого стального до чёрного. Кусковой графит добывают подземным способом, а графитовую руду – открытым.

Применение графита

И производители, и обыватели уже давно знакомы с графитовым веществом, зарекомендовавшим себя наличием качеств, которые позволяют применять его не только для производственных процессов, но и в повседневной жизни.

Благодаря таким основным свойствам как электропроводность и огнеупорность, этот минерал нашёл широкое применение в промышленности. Металлургия использует его для изготовления тугоплавких ковшей, форм для сплавов, ёмкостей для кристаллизации. Литейное производство применяет графитовый порошок как смазку форм для литья.

Является одной из составляющих при изготовлении огнеупорного кирпича. Полировочные и шлифовальные пасты получают из графитовых смесей. Учитывая электропроводящие свойства природного элемента, он незаменим для изготовления контактов электроприборов и электродов.

Промышленность по производству графитовых карандашей, смазочных материалов и изготовления красок тоже не обходится без этого вещества. Стержни для карандашей изготавливаются из чёрного графита, хотя в природе существует серый графит со стальным блеском. Является наполнителем пластмассы,  с его помощью налажено производство искусственных алмазов.

Даже атомная энергетика оценила свойства графита и взяла его на использование. Машиностроение – материал для подшипников, уплотнительных и поршневых колец. В быту также стали использовать графитовую смазку – обрабатывать автомобильные рессоры, велосипедные цепи, даже дверные петли.

Покрасочным средством, обладающим антикоррозионными качествами является краска графитовая. Она представляет собой однокомпонентную суспензию. В её состав, кроме графитового наполнителя, входят пластификатор и  связующие пигменты. Применяя такую краску, защищают бетонные, стальные, деревянные, алюминиевые, чугунные изделия от коррозии.

В медицине графит зарекомендовал себя как одно из гомеопатических средств при кожных заболеваниях, являющихся следствием внутренних и трудно поддающихся терапии нарушений. Препятствует образованию спаек и рубцов после воспалений, а также влияет на обменные процессы. Заболевания, на которые благотворно воздействует графит, сложно перечислить, поэтому он входит в состав многих лекарственных препаратов.

Цена графита

Продажей графита занимаются специализированные компании, занимающиеся добычей и переработкой графита, цены на который достаточно приемлемы. Ценовая категория природного графита зависит от размеров его кристаллов и содержания углерода. Каждый сорт графита имеет свою стоимость – чем выше содержание углерода, тем лучше технические свойства, и тем он дороже.

Реализация данного минерала производится как в розницу, так и оптом. Потребитель может графит купить на выгодных для него условиях. При покупке оптом делается скидка, обеспечивается его доставка. Стоимость зависит и от региональной принадлежности. Средняя цена на графит примерно 45 руб/кг. Готовая продукция стоит дороже.

Характеристики натурального графита: это минерал или горная порода, каково его описание и можно ли им писать на бумаге?

Многие с детства помнят, что стержень карандаша состоит из графита. Однако далеко не каждый имеет представление о том, что это за вещество. Между тем графит является самородным минералом, который имеет общее происхождение с алмазом. Какими физико-химическими свойствами обладает этот камень? Где и как добывают эту горную породу? В каких сферах применяется этот минерал? Можно ли им писать на бумаге?

Графит: описание и происхождение

Наряду с образованием карбонатов и углеводородов в природных условиях углерод существует в самородном виде, образуя 2 полиморфные формы – графит и алмаз. Эти одинаковые по составу минералы различаются структурой и физическими свойствами.

Графитовая горная порода известна с давних времен, однако исходной информации о ее применении нет. Отсутствие ранних исторических сведений объясняется тем, что по красящим свойствам графит имеют сходство со многими другими материалами, например молибденитом. Несмотря на скудость информации об этом камне, доподлинно известно, что в археологической культуре эпохи неолита Боян, существовавшей на территории современной Молдавии, Румынии и Болгарии в 4 тысячелетии до н. э., этот материал использовался для раскрашивания глиняной посуды.

Свое название графит получил в 89 г. XVIII в. благодаря немецкому геологу Абрааму Готлобу Вернеру. Ученый, обнаружив, что этим камнем можно писать, решил присвоить ему наименование, которое происходит от греческого слова «графо», переводящегося как «пишу».

Этот минерал в некоторых источниках также называется черным или серебристым свинцом, карбидным железом. В нашей стране этот камень впервые был обнаружен в 26-м г. XIX в. в Уральских горах.

Физико-химические свойства минерала

Природный графит относится к классу самородных минералов. Для его структуры характерна слоистая форма. Слои в его кристаллической решетке слабоволнистые, практически уплощенные.

Они состоят из 6-угольных слоев атомов углерода. Для кристаллов характерна пластинчатость и чешуйчатость.

У природного камня существуют разновидности, различающиеся по строению решетки. Он может быть:

• плотнокристаллический;
• кристаллический;
• скрытокристаллический.

В природе встречаются экземпляры серого или черного оттенков. Отличительной чертой этого минерала является стальной блеск (см. фото).

Он совершенно непрозрачен. Графит имеет следующие характеристики:

• низкий уровень твердости, который по шкале Мооса варьируется от 1 до 2;
• плотность – от 2,09 до 2,23 г/см³;
• температура плавления – 3845°С;
• температура кипения – 4200°С.

При описании графита особо отмечается его способность проводить электрический ток. Под влиянием высокой температуры он становится более твердым. При этом его хрупкость увеличивается. При отсутствии доступа воздуха натуральный минерал проявляет устойчивость к нагреванию. На ощупь этот материал жирный и достаточно мягкий. Он оставляет темные следы на руках, бумаге и других поверхностях, с которыми контактирует.

Природные экземпляры на 10–12% состоят из глины и соединений железа с кислородом. При механическом воздействии происходит их расслоение с образованием отдельных чешуек. Этот эффект используется при изготовлении карандашей. При температуре выше 4200°С и реакции с кислородом графит сгорает, трансформируясь в углекислый газ.

Этот материал обладает высоким диамагнетизмом. Имеет свойство растворяться в кислотах-неокислителях и образовывать соединения включения с щелочными металлами и солями.

Где и как добывают минерал?

Добыча этого полезного ископаемого является сложной процедурой. Для этого используется большое количество оборудования. Залежи этого минерала располагаются в глубоких слоях земли. Его извлекают с помощью бурильных машин. Минералами-спутниками в этом случае являются пирит, гранат, шпинель.

Добыча графита

Лидерскую позицию по объему экспорта графита много лет удерживает Китай. На долю поставок этой страны приходится около 2/3 от общего количества экспортируемого в мире сырья. Крупные графитовые залежи также находятся в Канаде, Бразилии, Мексике, на Шри-Ланке. В России запасы этого сырья составляют около 13 млн. т. Этой горной породой богато сибирское месторождение.

Добыча ископаемого в нашей стране осложняется тем, что большое его количество расположено на территории природоохранных объектов. Это накладывает определенные ограничения на добывающую деятельность.

Применение натурального графита

Область применения графита не ограничивается возможностью письма на бумаге и других поверхностях. Благодаря своим уникальным качествам этот материал имеет широкую сферу использования.

Изделия из графита

Графит применяется для:

• Производства емкостей для нагрева, высушивания, сжигания, обжига и плавления различного сырья и изготовления износостойких плит. Такое применение обусловлено его устойчивостью к воздействию высоких температур при отсутствии воздуха, а также к большому количеству расплавленных металлов.
• Изготовления электрических проводников, имеющих электронную проводимость и находящихся в контакте с электролитом, а также нагревательных элементов. Данный материал в этом направлении используется благодаря высокому уровню электропроводности и устойчивости к практически всем водным растворам с агрессивными свойствами.
• Образования химически активных металлов путем электролиза расплавленных соединений. Для получения алюминия используется одновременно 2 свойства: отличная электропроводность и газообразность продукта реакции, протекающей на электроде.
• Производства твердого смазочного сырья.
• Изготовления наполнителя пластики.
• Замедления нейтронов в ядерных реакторах.
• Производства стержней для черных графитовых карандашей. В этом случае он используется совместно с каолиновым веществом.
• Синтезирования искусственных алмазов.
• Измерения длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующих зондовых микроскопов, предназначенных для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением, а также сканирующих зондовых микроскопов высокого разрешения, использующихся для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного.
• Производства контактных элементов для различных электромашин, транспорта, работающего от электричества, и мостовых подъемных кранов с троллейным питанием, реостатов повышенной мощности и других устройств, которые требуют надежного подвижного электрического контакта.
• Изготовления тепловой защиты носовой области элементов поражения ракетного оружия и возвращаемых космических аппаратов.
• Производства элементов, проводящих ток в высокоомных токопроводящих склеивающих материалах.

 

Поделитесь с друьями!

Месторождения графита — Интернет-энциклопедии Красноярского края

Графит обладает хорошей тепло- и электропроводностью. При физическом воздействии графит расслаивается на отдельные чешуйки. Графит не растворяется в кислотах, термоустойчив в безвоздушном пространстве. В отличие от алмаза обладает низкой твердостью.

Графит мягкий, жирный и скользкий на ощупь, пачкает руки. Со многими веществами (щелочными металлами, солями) образует соединения включения. Реагирует при высокой температуре с воздухом, сгорая до углекислого газа.

Графит применяется в металлургии, например, для изготовления плавильных тиглей, за счет своей термоустойчивости и химической устойчивости к большинству металлов. В электронике графит применяется для изготовления электродов и других элементов, благодаря хорошей электропроводимости. Графит используется для получения химически активных металлов методом электролиза.

В виде смеси с Al, Mg и Рb используется для производства самосмазывающихся подшипников и колец электромашин, вкладышей для подшипников скольжения, втулок для поршневых штоков, уплотнительных колец для насосов и компрессоров.

В ядерной энергетике при производстве ядерных реакторов графит применяется в качестве замедлителя нейтронов. Пирографит наносится в виде покрытия на частицы ядерного топлива. В ракетной технике графит идет на изготовление сопел ракетных двигателей, деталей внешней и внутренней теплозащиты.

Графит является одним из наполнителей пластмасс, его используют при производстве синтетических алмазов, в специальных твердых смазочных материалах как компонент составов для изготовления стержней для карандашей. В производстве токопроводящих клеев графит используют в качестве токопроводящего элемента.

Российские ученые с помощью ионной масс-спектрометрии обнаружили в составе графита золото, серебро и платиноиды в форме металлоорганических нанокластеров. В изученных пробах содержание золота в графите составило 17,8 грамма на тонну, что является уровнем богатых золотых приисков. Это достижение открывает перспективу получения дорогостоящих металлов из графических руд.

Как добывается очищенный графит?

Аналитика

Автор Алексей Петров

8 октября  267  Поделись

Графит особой чистоты можно получить лишь химическим способом.

Минерал графит относится к классу самородных и выступает аллотропной модификацией углерода. В природе невозможно встретить его чистую версию. Обычно в нем содержится, около, 10-12% окиси железа либо различных глин. В истории сложно выделить его применение, поскольку по красящему цвету он похож на другие минералы, вроде, молибденита. Графит особой чистоты можно получить лишь химическим способом. Для этого неочищенную версию помещают в керн печки Ачесона. По данным сайта https://eaunioncn.com/grafit/grafit-osoboj-chistoty/, процесс обработки отличается увеличенной трудоемкостью.

Каким путем он добывается?

Неочищенная версия помещается компактным способом в виде блоков либо концентрированной насыпью в специальное оборудование. Есть несколько способов получение 99% версии:

1. В специальной печи графит обрабатывается при температуре в районе 2000-2700 градусов Цельсия. Для этого используется электростатическое напряжение и очистной реагент на основе галогенов. Графит устанавливается в оборудование в виде блоков. Это нужно для улучшения фиксации графита и упрощения его загрузки. Этот вариант называют термохимической очисткой. Полученный материал используется в атомной отрасли и промышленности, в процессе получения особо чистых металлов;
2. Однако существует другой вариант. Он базируется на применении хладона-22 для очистки графита. Технология такая же, необходимо нагреть графит и обработать его реагентом. Однако этот способ отличается слишком большой стоимостью и считается не рентабельным;
3. Иногда применяется очистка, благодаря термическому рафинированию. Она отличается экономичностью. Однако этот вариант не всегда гарантирует очистку до 99%. Поэтому считается рискованным, но его все же используют, если существует острая необходимость экономии средств.

Поэтому лучшим вариантом очищения до нужных пропорций считается вариант с блоковой загрузкой в печь Ачесона на основе использования в качестве реагента галогенового газа. Этот способ отличается простотой и экономической обоснованностью. Благодаря ему можно организовать получение очищенного графита в промышленных масштабах с возможностью извлечения прибыли.

Графитовая промышленность

ГРАФИТОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ (а. graphite industry; Н. Graphitindustrie; ф. industrie de graphite; и. industrie de grafito) — подотрасль промышленности строительных материалов, занимающаяся добычей и обогащением графитовых руд, получением графита.

Зарождение графитовой промышленности относится к середине 19 — начале 20 вв. В связи с развитием чёрной и цветной металлургии началось промышленное использование графита как противопригарного материала при разливе металлов и сырья для изготовления плавильных тиглей. Основными центрами графитовой промышленности в то время были Великобритания и Австрия. В дореволюционной России первое месторождение графита открыто в 1826 на Урале, к концу 19 в. — ряд месторождений на Украине, в Сибири и Киргизии. Разработка велась с применением ручного труда и конной тяги. Практически вся добываемая руда отправлялась в Германию, Великобританию. В 1904 в Мариуполе (ныне Жданов) пущена первая в России обогатительная фабрика на рудах Старокрымского месторождения.

Общее производство графита в дореволюционной России — 18046 т, в том числе в Сибири 13225 т и на Украине 4821 т. После Октябрьской революции расширились работы по изучению ранее открытых месторождений и разработке схем обогащения графитсодержащих руд. К 1935 в CCCP были построены Завальевский комбинат (Кировоградская область) и Кыштымский комбинат (Челябинская область), Игарская фабрика (Красноярский край), Красноярская фабрика и реконструирован Ждановский завод (Донецкая область), что позволило к 1936 полностью обеспечить отрасли промышленности графитом отечественного производства. Выпуск графита в 1940 составил 44 тысяч т. Создание и совершенствование технологии добычи и обогащения графита, расширение номенклатуры выпускаемой продукции — наиболее характерные черты развития графитовой промышленности в 1935-41. В годы Великой Отечественной войны 1941-45 были разрушены Завальевский графитовый комбинат и Ждановский графитовый завод. Для покрытия дефицита графита в стране в 1942 был построен графитовый рудник в Бухарской области и увеличена в 2 раза производительность Красноярской фабрики. В 1945-65 были построены новые и восстановлены разрушенные предприятия.

70-е гг. характеризовались разработкой и внедрением химического обогащения графита (Завальевский комбинат, Ждановский завод), пневмоклассификации и пневмотранспорта готовой продукции с целью получения концентратов с зольностью до 0,1%, разработкой технологических схем коллоидного измельчения графитов и получения коллоидно-графитовых препаратов. С начала 80-х гг. залежи сырья в основном разрабатывают карьерами. Основная добыча и обогащение графитсодержащих руд кристаллической структуры в CCCP сосредоточены на Украине (Завальевское месторождение), Урале (Тайгинское месторождение). Добыча высококачественной скрытокристаллической руды (75-86% углерода) ведётся в Эвенском автономном округе, а переработка — на Красноярской графитовой фабрике (Ногинское месторождение). В 1982 в CCCP действуют шесть предприятий по добыче и переработке графита. Сырьевая база позволяет стабильно работать предприятиям. Производство графита по техническому уровню отвечает современным требованиям. Графито-обогатительные фабрики — высокомеханизированные и автоматизированные предприятия. Уровень механизации в основном производстве составляет 98,4%, во вспомогательном — 71,4%. На комбинатах внедряются автоматизированные системы управления режимами дробления, флотации, сушки. Впервые в мировой практике на Красноярской фабрике разработана технология обогащения скрытокристаллического графита способом термоизмельчения. Техническое перевооружение, совершенствование технологии обусловили рост производительности труда одного работающего в 1965-80 в 1,6 раза. Отечественная графитовая промышленность выпускает графит 38 марок, которые регламентируются 9 ГОСТами в зависимости от структуры, крупности содержания зольных примесей и вредных компонентов в графите (рис. 1).

Завальевский комбинат и Ждановский завод выпускают 8 марок графитоколлоидных препаратов и смазочно-охлаждающих жидкостей. По минерало-структурным характеристикам, техническим свойствам и потребительскому качеству графит, получаемый в стране, не уступает лучшим зарубежным образцам и экспортируется более чем в 10 стран мира, в том числе в США, Японию, ФРГ. Среди социалистических стран по добыче графита выделяется Чехословакия.

Графитовые месторождения распространены в развитых капиталистических и развивающихся странах, причём запасы на эксплуатируемых месторождениях значительно превышают не только текущие, но и прогнозируемые потребности в этом сырье (табл., рис. 2).

Однако число крупных продуцентов сырья ограничено. Среди них — Южная Корея, Мексика, Индия, Австрия, Мадагаскар, обеспечивающие около 80% всей добычи. Большая часть добываемого графита приходится на кристаллическое сырьё. Разработка таких месторождений ведётся в Южной Kopee, на Мадагаскаре, в Бразилии, ФРГ, Норвегии, США. Руды обогащают в основном флотацией, получая концентрат с содержанием 85-90% углерода. Крупные залежи скрытокристаллического графита разведаны в Мексике и Австрии. В Мексике ведётся подземная разработка крупнейшего в Западном полушарии месторождения в штате Сонора. В Австрии добыча графита сконцентрирована главным образом в Штирии — в Кайзерсберге (в основном графит литейного сорта, а также высококачественный 90-92%-ный порошок тонкого размола для производства карандашей, красок, смазок) и в Трибене (75%-ный графит для литейного производства и выплавки стали). В Нижней Австрии на месторождениях вдоль левого берега Дуная открытым способом добывается графит с более высокой кристаллизацией, используемый в производстве металлокерамики. Жильные месторождения графита разрабатываются только в Шри-Ланке. Руда залегает в виде жил, линз, гнёзд и заполняет трещины в метаморфических породах. Содержание графита в руде 75-100%. Добывается как «кусковой» кристаллический, так и «кусковой» скрытокристаллической графит. Около 50% всей национальной добычи обеспечивает предприятие «Богала» (1980). Основные поставщики графита на мировой рынок: Южная Корея, экспортирующая его главным образом в Японию, а также в Индию, Таиланд, на Филиппины; Мадагаскар, поставляющий графит в США, Францию, Великобританию, Японию, ФРГ; Норвегия, вывозящая его в Великобританию, ФРГ и США; Шри-Ланка, осуществляющая экспорт в Великобританию, США, Японию, страны Азии и в Австралию.

Минерал с экстремальными свойствами и много применений

Чешуйчатый графит: Чешуйчатый графит производится на Мадагаскаре.

Кусок графита: Кусковой графит из Кропфмуля, Австрия. Образец составляет около полутора дюймов (3,8 см) в поперечнике.

Графит с гранатом: Образец графит-слюдяного сланца с двумя красными альмандиновыми / пироповыми гранатами из шахты Ред Эмберс, Эрвинг, Массачусетс. Этот образец составляет около двух дюймов (5.08 см) в поперечнике.

Геологическое происхождение

Графит — это минерал, который образуется, когда углерод подвергается воздействию тепла и давления в земной коре и в верхней мантии. Для производства графита необходимы давление в диапазоне 75 000 фунтов на квадратный дюйм и температура в диапазоне 750 градусов Цельсия. Они соответствуют гранулитовой метаморфической фации.

Графит регионального метаморфизма (чешуйчатый графит)

Большая часть графита, наблюдаемого сегодня на поверхности Земли, образовалась на границах сходящихся плит, где богатые органикой глинистые сланцы и известняки подверглись воздействию тепла и давления регионального метаморфизма.Это дает мрамор, сланец и гнейс, содержащие крошечные кристаллы и чешуйки графита.

Когда графит находится в достаточно высоких концентрациях, эти породы можно добывать, измельчать до размера частиц, который высвобождает чешуйки графита, и обрабатывать путем разделения по удельному весу или пенной флотации для удаления графита с низкой плотностью. Полученный продукт известен как «чешуйчатый графит».

Графит метаморфизма угольных пластов («аморфный» графит)

Некоторые формы графита образуются в результате метаморфизма угольных пластов.Органический материал угля состоит в основном из углерода, кислорода, водорода, азота и серы. Тепло метаморфизма разрушает органические молекулы угля, улетучивая кислород, водород, азот и серу. Остается почти чистый углеродный материал, который кристаллизуется в минеральный графит.

Этот графит встречается в «пластах», соответствующих исходному слою угля. При добыче этот материал известен как «аморфный графит». Слово «аморфный» на самом деле неверно в этом смысле, поскольку оно имеет кристаллическую структуру.Этот материал из шахты выглядит как куски угля без ярких и тусклых полос.

Графит гидротермального метаморфизма

Небольшое количество графита образуется в результате реакции углеродных соединений в породе во время гидротермального метаморфизма. Этот углерод может быть мобилизован и отложен в жилах вместе с гидротермальными минералами. Поскольку он осаждается, он имеет высокую степень кристалличности, что делает его предпочтительным материалом для многих электрических применений.

Графит в магматических породах и метеоритах

Известно, что графит встречается в небольших количествах как первичный минерал в магматических породах. Он известен как крошечные частицы в потоках базальта и сиенита. Также известно, что он образуется в пегматите. Некоторые железные метеориты содержат небольшое количество графита. Эти формы графита не имеют экономического значения.

Физические свойства графита
Химическая классификация	Родной элемент
Цвет	Сталь от серого до черного
Полоса	Черный
Люстра	Металлик, иногда землистый
Диафрагма	непрозрачный
Раскол	Идеально в одном направлении
Твердость по Моосу	1 до 2
Удельный вес	2.От 1 до 2,3
Диагностические свойства	Цвет, полосы, ощущение скольжения, удельный вес
Химический состав	С
Кристаллическая система	Гексагональный
Использует	Используется для изготовления термостойких и химически стойких контейнеров и других предметов.Аккумуляторные аноды. Сухая смазка. «Грифель» в карандашах.

Графит и алмаз

Графит и алмаз — две минеральные формы углерода. Алмаз образуется в мантии под действием сильной жары и давления. Большая часть графита, обнаруженного у поверхности Земли, образовалась в коре при более низких температурах и давлениях. Графит и алмазы имеют одинаковый состав, но очень разные структуры.

Связанные: как образуется алмаз?

Атомы углерода в графите связаны в гексагональную сеть, которая образует листы толщиной в один атом.Эти листы плохо соединены и легко расслаиваются или скользят друг по другу при приложении небольшой силы. Это дает графит имеет очень низкую твердость, идеальную спайность и скользкость.

Напротив, атомы углерода в алмазе связаны в каркасную структуру. Каждый атом углерода связан в трехмерная сеть с четырьмя другими атомами углерода с прочными ковалентными связями. Такое расположение надежно удерживает атомы на месте и делает алмаз исключительно твердым материалом.

.

9 ведущих стран по добыче графита | ИНН

В 2018 году Китай был крупнейшей страной по добыче графита с большим отрывом, за ним следовали Бразилия и Канада. Узнайте, какие другие страны попали в список.

Графит отлично проводит тепло и электричество, а также обладает высочайшей прочностью среди всех природных материалов. Однако только недавно металл начал набирать популярность.

Интерес к добыче графита возрастает в значительной степени потому, что литий-ионные батареи становятся все более и более распространенными. Эти батареи используются во всем, от телефонов до электромобилей, а графит — одно из их основных сырьевых материалов. Поскольку использование литий-ионных батарей продолжает расти, ожидается, что спрос на графит вырастет, по крайней мере, в следующие несколько лет.

Фактически, несмотря на дискуссии об изменениях в химии литий-ионных аккумуляторов, многие эксперты считают, что графит останется основным сырьем для аккумуляторов электромобилей как минимум в течение следующего десятилетия.И синтетический графит, и природный графит в виде сферического графита промежуточного продукта представляют собой графитовые продукты, используемые в анодах литий-ионных батарей.

Прочтите наш отчет по графиту за 2020 год, чтобы найти лучшие акции на рынке

Получите акции и ценные рыночные данные сегодня

Согласно Benchmark Mineral Intelligence, спрос на графит в сегменте анодных аккумуляторов в следующем десятилетии может вырасти в семь раз, поскольку рост продаж электромобилей и появление накопителей энергии продолжает стимулировать строительство мегазаводов литий-ионных аккумуляторов.

Что касается цен на графит, то ограничения предложения в сочетании с растущим спросом со стороны аккумуляторного сектора помогли ценам на природный графит в последние несколько лет, несмотря на несколько раундов корректировки цен на графит в сторону понижения после возобновления работы заводов, по словам Роскилла. Benchmark Mineral Intelligence ожидает, что цены на сырье продолжат снижаться в третьем полугодии 2019 года, поскольку на рынке графита сохраняются избыточные предложения.

«Однако важным моментом является то, что структура рынка не одинакова для всех марок чешуйчатого графита.По-прежнему есть части рынка, которые будут ограничены h3, такие как крупночешуйчатый материал для использования при обработке расширяемого графита », — сказал Investing News Network Эндрю Миллер, руководитель отдела оценки цен Benchmark Mineral Intelligence.

По объемам поставок в 2018 году Китай занял первое место по добыче графита, а Бразилия и Канада заняли второе и третье места соответственно. Для любого инвестора, работающего в этом секторе, неудивительно, что азиатская страна лидирует.Китай доминирует как в добыче, так и в сфере переработки пластинчатого графита в цепочке поставок анода.

Тем не менее, интересно посмотреть, в каких странах производится наиболее натуральный графит. Вот краткий обзор производства графита в этих странах и других ведущих производителях в прошлом году. Вся статистика основана на последних данных Геологической службы США.

1. Китай

Добыча на руднике: 630 000 тонн

Как уже упоминалось, в 2018 году Китай был крупнейшим производителем графита в мире.Он произвел 630 000 метрических тонн (МТ) металла, почти столько же, сколько было произведено в предыдущие два года. По данным Геологической службы США, в прошлом году на долю страны приходилось 70 процентов мировой добычи графита.

Несмотря на то, что Китай мертвой хваткой удерживает рынок графита, инвесторам не обязательно ожидать, что доминирование азиатской страны сохранится вечно. Это потому, что в последние годы страна, занимающаяся добычей графита, предприняла усилия по рационализации производства. Частью этого процесса является отключение производителей, загрязняющих окружающую среду, также были закрыты предприятия в Шаньдуне, Китай, из-за экологических целей.Это может еще больше повлиять на производство графита в Китае.

2. Бразилия

Добыча на руднике: 95000 тонн

В 2018 году Бразилия стала вторым по величине производителем графита в мире. С объемом производства 95 000 тонн в прошлом году она значительно уступает Китаю. При этом объем добычи графита в Бразилии в 2018 году увеличился лишь на 5000 тонн по сравнению с 2017 годом.

Информации о бразильской горнодобывающей промышленности графита мало, поскольку основные производители металла в стране являются частными.Однако ETF.com утверждает, что двумя крупнейшими производителями графита в стране являются Extrativa Metalquimica и Nacional de Grafite.

3. Канада

Добыча на руднике: 40 000 тонн

Производство графита в Канаде осталось неизменным по сравнению с аналогичным периодом прошлого года и составило 40 000 тонн. Интерес к Канаде как потенциальному источнику графита растет в последние несколько лет, особенно после того, как Tesla (NASDAQ: TSLA) заявила, что планирует поставлять литий, графит и кобальт, необходимые для своего гигафабрики литий-ионных аккумуляторов в Неваде. из Северной Америки.

Многие компании, специализирующиеся на графите, сейчас работают в Канаде, в том числе Berkwood Resources (TSXV: BKR), Canada Carbon (TSXV: CCB), Canada Strategic Metals (TSXV: CJC), Eagle Graphite (TSXV: EGA), Focus Graphite (TSXV). : FMS, OTCQB: FCSMF), Lomiko Metals (TSXV: LMR, OTCQB: LMRMF), Noram Ventures (TSXV: NRM, OTC Pink: NRVTF), Northern Graphite (TSXV: NGC, TSXVX: NGPHF) и ZEN Graphene. : ZEN).

4. Индия

Добыча на руднике: 35000 тонн

Индия произвела гораздо меньше графита, чем три ведущих страны-производителя графита в 2018 году, но по-прежнему остается четвертым по величине производителем металла в мире.Общий объем производства в прошлом году составил 35 000 тонн, столько же, сколько было произведено в 2017 году.

Запасы графита в стране сильно различаются от штата к штату — как показано в статье Fastmarkets, в Аруначал-Прадеше находится 43% запасов графита Индии. В стране добычи графита восемь основных производителей, включая Tirupati Carbon & Graphite, Chotanagpur Graphite Industries и Carbon & Graphite Products. HEG (NSE: HEG) — небольшой производитель графитовых электродов в Индии, получивший в 2018 году рекордную прибыль, хотя управляющий директор Рави Джунджхунвала назвал прибыль «крайне необычной».”

Прочтите наш отчет по графиту за 2020 год, чтобы найти лучшие акции на рынке

Получите акции и ценные рыночные данные сегодня

5. Мозамбик

Добыча на руднике: 20000 тонн

Мозамбик совершил огромный скачок в 2018 году, увеличившись с 300 тонн в 2017 году до 20000 тонн в прошлом году, согласно данным Геологической службы США. В стране находятся два основных производителя графита: Syrah Resources (ASX: SYR, OTC Pink: SYAAF) и Triton Minerals (ASX: TON).Syrah начала добычу в 2017 году, а Triton планирует начать производство во второй половине 2020 года.

6. Украина

Добыча на руднике: 20000 тонн

Украина произвела в 2018 году столько же графита, сколько и в предыдущем году: 20 000 тонн. Завальевский Графит — крупный производитель в Украине. Согласно его веб-сайту, он работает с 1934 года и производит до 30 000 тонн природного чешуйчатого графита в год.

7.Россия

Добыча на руднике: 17000 тонн

В 2018 году объем производства графита в России составил 17000 тонн, как и в 2017 году. Несмотря на это плато, страна рассчитывает значительно увеличить производство в течение следующих нескольких лет за счет реализации двух инвестиционных проектов — Дальграфита и Уралграфита. Как и во многих странах, включенных в этот список, по добыче графита в России имеется мало дополнительной информации.

8. Норвегия

Добыча на руднике: 16000 тонн

Объем добычи графита в Норвегии с 2017 по 2018 год практически не изменился, увеличившись всего на 500 тонн и достигнув 16 000 тонн.Все месторождения графита в стране содержат чешуйчатый графит и, как правило, малотоннажны. При этом многие из них находятся в благоприятных местах — например, недалеко от моря или от электросети.

9. Пакистан

Добыча на руднике: 14000 тонн

Пакистан занимает девятое место по производству графита. В 2018 году в стране было произведено 14000 тонн графита, что соответствует количеству предыдущего года. Несмотря на производственные показатели страны, информации о добыче графита в Пакистане мало.

Не забудьте подписаться на нас @INN_Resource , чтобы получать новости в реальном времени!

Раскрытие информации о ценных бумагах: Я, Присцила Баррера, не имею доли прямых инвестиций в какой-либо компании, упомянутой в этой статье.

От редакции: Canada Carbon и Lomiko Metals являются клиентами Investing News Network. Эта статья не является оплачиваемым контентом.

.

Добыча графита в США

В настоящее время США не производят графита, и многие задаются вопросом, будет ли добыча графита в США. Вот обзор ситуации.

Графит пользуется повышенным интересом в последние годы благодаря ожидаемому росту спроса на электромобили.

Однако Китай на сегодняшний день является ведущим производителем графита, и инвестировать в компании, добывающие там графит, не особенно легко и не желательно.

Многие инвесторы вместо этого ищут возможности для графита в Северной Америке, особенно после того, как Tesla (NASDAQ: TSLA) объявила о том, что она планирует поставлять литий, графит и кобальт, необходимые для своего гигафабрики в Неваде, у компаний, работающих на континенте. В 2015 году Tesla подтвердила это заявление, подписав две сделки на поставку лития с компаниями, чьи проекты находятся в Северной Америке.

Прочтите наш отчет по графиту за 2020 год, чтобы найти лучшие акции на рынке

Получите акции и ценные рыночные данные сегодня

Но в то время как инвесторы стремятся приобрести долю в графитовых компаниях, ориентированных на Северную Америку, очень мало компаний, действительно производящих графит в регионе.Фактически, в 2017 году только две североамериканские страны произвели какой-либо графит: Канада выпустила 30 000 тонн металла, а Мексика произвела 4 000 тонн. США вообще ничего не производили.

По этим причинам наблюдатели за рынком задаются вопросом, будет ли расти производство графита в Северной Америке и, в частности, будет ли когда-либо происходить добыча графита в США. На этой ноте, вот взгляд на историю производства графита в США и на то, что может быть дальше.

Добыча графита в США: Недостаток предложения

Графит считается критически важным материалом в США, и около века назад его добывали в больших количествах в стране, в основном в Алабаме.В статье New York Times говорится, что в 1916 году в стране было произведено 10,9 миллиона фунтов кристаллического графита, а в 1917 году — 2622 тонны аморфного графита.

Однако, согласно отчету Геологической службы США, добыча графита в США уже давно находится в застое. Фактически, этот металл не добывался в стране с 1990 года, когда United Minerals приостановила работу на своем графитовом руднике в Монтане.

В результате США теперь импортируют весь необходимый графит.Что касается того, сколько именно нужно стране, в другом отчете Геологической службы США говорится, что в 2017 году 95 американских компаний потребили 24000 тонн природного графита на сумму 42,9 миллиона долларов.

Общий объем импорта в этом году составил 50 000 тонн природного графита, из которых 75 процентов приходилось на чешуйчатый и высокочистый графит, 24 процента — на аморфный графит и 1 процент — на кусковой графит и стружку. Основными источниками графита в США в этом году были Китай (35 процентов), Мексика (31 процент), Канада (17 процентов) и Бразилия (8 процентов).Остальные 9 процентов были получены из различных других источников.

В США этот графит в основном используется в тормозных накладках, литейном производстве, смазочных материалах, огнеупорных материалах, порошковых металлах и сталеплавильном производстве.

Добыча графита в США: рост спроса

Спрос на графит тесно связан с выплавкой стали и производством, но теперь он также тесно связан с производством литий-ионных батарей. Интересно, что эти батареи на самом деле содержат в 10-30 раз больше графита, чем лития.

Гигантская фабрика Tesla и политика поставок материалов из Северной Америки играют значительную роль в повышении спроса на графит, производимый в США. В ближайшие годы компания планирует добавить дополнительные гигафабрики, и другие производители следуют ее примеру. По данным Benchmark Mineral Intelligence, на конец 2017 года 26 заводов по производству аккумуляторных элементов должны были либо расширить мощности, либо ввести в эксплуатацию к 2021 году.

Еще одним потенциальным источником спроса на графит является правительство США через потребности Министерства обороны США в запасах, которые включают такие материалы, как графит.Хотя недавние отчеты не показывают дефицита графита, потребности в запасах демонстрируют важность графита, производимого в США, для национальной обороны.

Важно отметить, что спрос на графит меняется в зависимости от типа графита. Чешуйчатый, аморфный, жильный и синтетический графит различаются по своему применению, и когда дело доходит до развивающегося рынка аккумуляторов, источники графита также должны быть высокой чистоты.

Добыча графита в США: исследующие компании

Понятно, что хотя добыча графита в США сейчас не ведется, страна осознает, что это должно происходить.Несмотря на это, в настоящее время не так много компаний, занимающихся добычей графита в США.

Прочтите наш отчет по графиту за 2020 год, чтобы найти лучшие акции на рынке

Получите акции и ценные рыночные данные сегодня

Одним из примеров является Graphite One Resources (TSXV: GPH). Компания сосредоточена на своем месторождении Graphite Creek, которое она называет крупнейшим месторождением высококачественного графита в Северной Америке. Graphite Creek находится на Аляске и состоит из 200 ископаемых, занимающих 9 600 гектаров.Согласно Graphite One, он «контролирует все перспективные земли с известной графитовой минерализацией в регионе».

Graphite One заклеймил графит на Graphite Creek как «графит STAX» в знак признания его четырех отличительных особенностей — компания заявляет, что графит на месторождении бывает сфероидальным, тонким, агрегатным и расширенным, что делает его выгодным для использования в литий-ионных батареях.

Фирма опубликовала оценку ресурсов Graphite Creek в 2015 году и предварительную экономическую оценку (PEA) проекта в 2017 году.В том же году Graphite One начала сужать список потенциальных площадок для строительства НПЗ. В феврале 2018 года компания объявила, что правительство Аляски представило закон, позволяющий Управлению экспорта промышленного развития Аляски выпускать облигации для финансирования инфраструктуры и затрат на строительство Graphite Creek.

Alabama Graphite (TSXV: CSPG) — еще одна компания, стремящаяся вернуть добычу графита в США. Компания владеет двумя проектами по производству чешуйчатого графита в Алабаме: Coosa и Bama.Соответственно, они находятся в округе Куза и округе Чилтон, а Alabama Graphite утверждает, что оба они находятся «в самом сердце региона, ранее производившего продукцию». Компания Alabama Graphite завершила оценку ресурсов и ПЭА для Coosa, а в июле 2017 года заключила с AGP Mining Consultants контракт на технико-экономическое обоснование проекта.

В конце 2017 года Westwater Resources (NASDAQ: WWR) объявила о планах приобретения Alabama Graphite, чтобы ускорить разработку материалов для аккумуляторов в США. Новая компания будет стремиться поставлять специализированный графит для использования в аккумуляторах по всему миру.Сделка была одобрена в середине марта; В том же месяце Westwater выпустила оптимизированный бизнес-план Coosa. Более подробная информация еще впереди.

Безусловно, те, кто заинтересован в добыче графита в США, будут внимательно следить за обеими этими компаниями.

Не забудьте подписаться на нас @INN_Resource, чтобы получать новости в режиме реального времени!

Это обновленная версия статьи, первоначально опубликованной Investing News Network в 2015 году.

Раскрытие информации о ценных бумагах: Я, Аманда Кей, не имею доли прямых инвестиций в какой-либо компании, упомянутой в этой статье.

Уведомление от редакции: содержание данной статьи не оплачивается.

.

Графен массового производства | Американский ученый

Что, если бы вы обнаружили бесконечно тонкий материал, способный проводить электричество, способный удерживать вес в миллионы раз больше собственного веса, но при этом достаточно пористый, чтобы фильтровать самую мутную воду? А что, если эта субстанция была создана из того же элемента, что и заливка обычного карандаша?

Растущее число ученых стремится сделать этот необычный материал, графен, основным технологическим материалом во второй половине 21 века.Не удовлетворенные этим графиком, некоторые предприниматели хотели бы увидеть широкое распространение графена в течение следующего десятилетия.

Графен элегантен. Он создан из одного элемента, углерода, образованного только одним типом связи. Несмотря на кажущуюся простоту графена, изолировать материал было труднодостижимым как для химиков, так и для физиков. Графен отлично скрывает на виду, и усовершенствованные за последние два десятилетия методы и инструменты сыграли решающую роль в его открытии.

Углерод, единственный компонент графена, окружает нас повсюду. Этот элемент является четвертым по распространенности во всей вселенной. Большинство людей думают о материалах в терминах атомов и молекул, где молекулы состоят из определенных типов и количества атомов. В случае графена подсчет атомов углерода несущественен. Решающее значение имеет просто способ, которым составляющие атомы углерода связаны друг с другом, поскольку эта особенность отделяет графен от других полностью углеродных материалов, таких как алмазы и графит.На атомном уровне исключительно углеродный графен напоминает шестиугольный забор из проволочной сетки, в котором каждый атом углерода составляет точку шестиугольника. Гексагональное распределение делает возможными свойства графена, потому что распределение позволяет отдельным атомам углерода графена лежать плоско.

Это свойство графена нельзя не заметить. Графен — это идеальная аномалия в мире химии: плоская двумерная молекула с одним листом графена толщиной всего в один атом.Вы можете сразу усомниться в структурной целостности графена из-за его восхитительно упрощенной конструкции, но переплетение углеродных шестиугольников по всей структуре делает атомно тонкий материал неожиданно прочным.

Вы испытали синтез графена, возможно, даже раньше, в очень малых масштабах. Давление, оказываемое вашей рукой и кончиками пальцев, вероятно, привело к образованию нескольких слоев графена, когда вы в последний раз проводили карандашом по блокноту, превращая скромный графит в графен, как вы составляли список покупок на этой неделе.

После того, как два исследователя из Великобритании, Константин Новоселов и Андре Гейм, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году, технологические журналы повсюду провозгласили новую эру «чудесных материалов», основанных на этой атомарно тонкой мозаике из атомов углерода. Обладая невероятно высокой прочностью и почти невероятно низким электрическим сопротивлением, графен отдернул скрытую завесу, позволив ученым мельком увидеть чудеса, которые лежали за его пределами.

Тем не менее, первые инвесторы были обожжены предпринимателями, которые обещали слишком много и недостаточно обеспечивали производительность продуктов (особенно композитов, таких как пластмассы), в которых был графен, но которые не использовали графен таким образом, чтобы его включение стоило дополнительных расход.В некоторых случаях это было просто добавление немного змеиного масла. Поскольку общий объем новых методов производства и качество получаемого графена со временем увеличиваются, мы, наконец, начинаем видеть истинные преимущества графена.

Если графен сделан из углерода, и ученые знали, как изолировать этот материал более десяти лет, почему на рынке так мало продуктов из графена?

Дорожная карта от лаборатории фундаментальных исследований до полки магазина никогда не является прямым путем, хотя время, которое проходит между открытием и коммерческим применением, быстро сокращается.

Графеновые хлопья на кремниевых пластинах на самом деле являются лишь первыми каплями на дне химического стакана по сравнению с революцией, которая произойдет, когда кто-то решит загадку того, как сделать нетронутые листы графена большой площади.

За последнее десятилетие аддитивное производство (АМ) было в моде. Возможно, вы знаете AM по более распространенному названию — 3D-печать. Многие устройства AM раннего поколения использовали только пластик для создания интересных трехмерных изображений различных объектов, но технология стала значительно более функциональной.

Структурные материалы аддитивного производства — очевидное место для начала добавления графеновых хлопьев. Исследователи из Массачусетского технологического института, используя специальную машину AM, напечатали различные трехмерные объекты из графена и протестировали их, чтобы измерить их физические свойства по сравнению с деталями, производимыми традиционным способом. Результаты были ошеломляющими. Некоторые из образцов, напечатанных на 3D-принтере, имели в 10 раз большую прочность стали при 1/20 массы. Теперь они могут печатать детали и узлы, которые в некоторых случаях могут заменять изготовленные на заказ стальные детали для повышения механической прочности.

Для того, чтобы графен совершил все предсказанные революционные изменения (а в некоторых случаях фактически протестированы), должен существовать автоматизированный производственный процесс, позволяющий производить килограммы графена в день или тонны материала в год, а не просто несколько граммов тут и там. Графит — это в основном графен, наложенный на себя, ожидающий, пока кто-то его отделит. Однако здесь все усложняется.

Прежде всего, вероятно, следует исключить массовое производство графена тем методом, которым он был первоначально выделен.Хотя забавно представить себе огромную комнату, заполненную людьми, использующими клейкую ленту для отделения листов графена от стопки грифеля карандаша, это просто непрактично. Возможно, кто-то сможет придумать, как автоматизировать этот конкретный процесс, но даже в этом случае маловероятно, что он будет хорошо масштабироваться для необходимого массового производства. Другими словами, не вкладывайте свои пенсионные сбережения в фьючерсы на клейкую ленту!

Исследователи из Университета Рутгерса делают листы графена из обычных хлопьев графита и небольшого количества серной или азотной кислоты.Добавление кислоты окисляет графеновые листы, из которых состоит графит, и заставляет атомы кислорода между листами графена расщепляться, образуя листы оксида графена, взвешенные в кислоте и воде. Затем жидкость фильтруют, оставляя хлопья оксида графена, забивающие фильтр. Сумма всех засоров через фильтр в конечном итоге образует лист оксида графена, похожий на бумагу. Затем этот похожий на бумагу лист можно удалить с фильтра, растворив фильтр с помощью растворителя, который не вступает в реакцию с оксидом графена.Последний шаг — удалить кислород с помощью гидразина, оставив только покрытие из чистого графена.

Полученный материал называется восстановленным оксидом графена , сокращенно или RGO. В этом случае «восстановленный» относится к химическому использованию этого слова, когда степень окисления каждого графенового углерода была уменьшена за счет удаления кислорода гидразином. В этом случае гидразин является восстановителем, который окисляется в результате реакции с оксидом графена.

Метан, богатое углеродом газообразное соединение, с которым мы, люди, очень хорошо знакомы, может реагировать с медью при высоких температурах с образованием графена. Просто нагрейте медь примерно до 1000 градусов по Цельсию и подвергните ее воздействию метана. Слои графена образуются на поверхности меди из многочисленных атомов углерода в газообразном метане. Этот процесс называется химическим осаждением из паровой фазы (CVD). У этого метода есть две большие проблемы: требуется много времени, чтобы создать даже небольшой графен, и качество получаемого графена не очень хорошее.

Дэвид Бойд из Калифорнийского технологического института вместе со своими сотрудниками-исследователями нашел способ улучшить метод CVD, чтобы он работал при более низких температурах и производил графен более высокого качества. Они тоже используют медь и метан, но добавляют немного азота, чтобы улучшить наслоение графена на меди. В этом методе еще нужно добавить энергии, но не так много. Реакция идет вперед при «простых» 420 градусах. Мировая промышленность имеет значительный опыт работы с сердечно-сосудистыми заболеваниями, поэтому в конечном итоге должна появиться возможность крупномасштабной автоматизации процесса; цель состоит в том, чтобы производить за один раз сантиметры или даже метры высококачественного графена.

Чтобы воплотить в жизнь замечательные чудеса графена, его нужно производить в огромных количествах — дешево.

Опасные химические вещества, сложные механизмы и многоступенчатые химические реакции и процессы слишком сложны на ваш вкус? Затем рассмотрим этот подход, открытый в Государственном университете Канзаса, где они получили графен путем взрыва. Вы когда-нибудь строили лопаточный пистолет? В основном, если вы возьмете трубу из ПВХ длиной от одного до двух метров, создайте камеру сгорания на одном конце, используя свечу зажигания и быстро закрывающуюся крышку, набейте картофель на другом конце и заполните теперь герметичную камеру сгорания. с легковоспламеняющимся паром (подойдет лак для волос), тогда у вас есть шпатель.Как только картофель окажется на месте, камера заправлена ​​лаком для волос, а затем запечатана, вы можете направить дальний конец ПВХ-трубы на цель и разрядить аккумулятор, чтобы свеча зажигания зажгла искру. В результате небольшой взрыв создает волну давления, которая выталкивает картофель из конца камеры сгорания, перемещая его вверх по соплу ПВХ-трубы в воздух, часто отбрасывая его на десятки метров вдаль. Физика того, что происходит в камере сгорания, очень похожа на метод, который ученые из Университета штата Канзас использовали для создания графена, который может стать масштабируемым процессом, который может стать шагом к массовому производству.

Интересно, что графен был не тем, что пытались создать ученые. Вместо этого они пытались создать нечто, называемое аэрозольным гелем угольной сажи, для использования в системах изоляции и очистки воды. Об этих гелях внезапно забыли, когда они поняли, что их сажа — это не то, что они искали, а графен. И не только немного графена. Они утверждают, что их процесс является наименее дорогостоящим для потенциально массового производства графена и не требует больших затрат энергии.Конечно, нет ничего проще, но этот подход кажется хорошим для использования в сочетании с другими методами.

Вместо трубы из ПВХ ученые использовали более прочную камеру для горения. Они заменили лак для волос на ацетилен или газообразный этилен, смешанный с кислородом. Они использовали свечу зажигания для создания сгорания, как и мы с нашим пистолетом-распылителем. Топливо, ацетилен или этиленовый газ, было превращено в графен и некоторые другие углеродные детриты.

Еще есть метод соевого масла — то же самое, что вы можете использовать дома, когда готовите.Исследовательская группа в Австралии нашла способ использовать повседневные соевые бобы для производства однослойных листов графена поверх никелевой подложки, потенциально создавая листы с большими площадями одновременно. Этот процесс представляет собой разновидность процесса CVD, описанного ранее, но с существенным отличием: он выполняется в окружающем воздухе (без специальных вакуумных камер и т. Д.), И требуемая энергия не так велика, как для других процессов CVD.

Секрет заключается в используемом катализаторе из никелевой фольги и в тщательном контроле температуры процесса, чтобы максимально предотвратить образование диоксида углерода.Вуаля: идет соевое масло, а выходит графен. Стоит отметить, что команда исследовала другие металлические фольги, включая медь, и никакие другие не способствовали образованию графена. Только никель.

Когда все остальное не помогает, почему бы просто не пойти домой и не использовать свой блендер, чтобы приготовить чудо-материал 21 века? По сути, именно это сделал Джонатан Коулман из Тринити-колледжа в Дублине, когда он и его команда поместили немного графита в блендер, добавили жидкость для мытья посуды, продаваемую без рецепта, и нажали кнопку запуска.Поскольку для разделения вновь сформированных листов графена требуется лишь немного больше обработки, Коулман и его коллеги обнаружили, что они могут производить несколько сотен граммов в час, используя довольно скромный набор смесительного оборудования в чане емкостью 10 000 литров. Однако пока не ясно, может ли этот метод обеспечить высококачественный графен.

Поиск в научной литературе обнаруживает множество методов, с помощью которых можно производить графен различного качества. Их объединяет сложность, энергия и тот факт, что они могут производить только небольшое количество графена, который затем необходимо отделить от других продуктов реакции.На сегодняшний день не существует простой технологии производства, позволяющей получать большие количества высококачественного графена. Чтобы воплотить в жизнь поистине замечательные чудеса графена, его нужно производить в огромных количествах — дешево.

Хотите купить монослой графеновых хлопьев размером 10 х 10 мм на кремниевой подложке? 146 долларов. Как насчет монослоя графена на меди размером 60 х 40 мм? $ 172. Есть компании, специализирующиеся на графене, которые будут продавать образцы отдельным пользователям по очень разумным ценам.Фактически, они продадут вам немного графена на вашей собственной подложке за 124 доллара и выше.

Однако создание графена — нетривиальная задача. Лучший графен для массового рынка получается из химически расслоенного природного, добытого графита, и компании, которым принадлежит доля в графитовых рудниках, уже зарекомендовали себя в качестве участников этой графеновой революции, используя свой преимущественный доступ к сырью для повышения цен на акции.

Но без соглашения на рынке или регулирования, как покупатели могут определить, какой так называемый графеновый продукт лучше всего подходит для их нужд?

Центр современных 2D-материалов (CA2DM) Национального университета Сингапура установил семь различных тестов, с помощью которых он измеряет графитовые материалы для определения качества и идентичности.К сожалению, только некоторые из этих тестов доступны в типичной лаборатории компании; другие требуют дорогостоящего оборудования, которое должно обслуживаться и обслуживаться специально обученными специалистами.

Три самых дешевых теста для определения размера конкретной чешуйки, степени дефектов в данном образце и элементного состава образца. Размер хлопьев определяется с помощью оптического микроскопа, в то время как образец графен / графита на поверхности подложки измеряется с помощью обычного светового микроскопа.Камера и компьютер могут измерить приблизительные размеры частиц графена / графита и примерно сообщить, насколько велики получающиеся хлопья.

Поскольку электронные свойства графена очень чувствительны к дефектам в чешуях, степень этих дефектов является важным параметром для измерения. Это измерение производится с помощью так называемой рамановской спектроскопии, которая измеряет колебательные структуры в образце. Окисление углерод-углеродных связей в графене кислородом открывает графен для разрушения окружающей среды, а введение других атомов на поверхность графена вызывает резкое изменение различных свойств.Например, добавление даже одного атома водорода к структуре графена приводит к тому, что графен становится магнитным.

Измерения дефектов будут подтверждены элементным анализом, в частности анализом углерод-азот-водород-сера (CNHS). Добытый графит будет содержать остатки ранее живого вещества, из которого он был создан, и эти элементы в конечном итоге ухудшат качество графена через тот или иной механизм. К сожалению, анализ CNHS — деструктивный метод.Часть пробы должна быть сожжена для анализа компонентов. Хотя это было бы полезно для контроля от партии к партии относительно дешевого промышленно расслоенного графита, это неприемлемо для образцов графена, полученных другими методами.

Есть много способов определить количество слоев в данной пластинке графита. В одном из таких тестов, называемом атомно-силовой микроскопией (АСМ), используется игла толщиной с волос, установленная на небольшом рычаге, похожем на трамплин, для измерения атомных сил между иглой и образцом.Лазер отражается от верхней части рычага, который может измерять величину отклонения вверх или вниз, которое испытывает игла при взаимодействии с поверхностью. Показания показывают измеренную толщину, и поскольку чешуйки графита укладываются на постоянное расстояние друг от друга, вы можете выполнить математические вычисления, чтобы определить количество слоев. AFM может создавать изображение из множества сканированных изображений, поскольку он складывает последовательные одномерные линии вместе для отображения топографии образца. По сути, он создает карту высот поверхности.

Все это возможно благодаря наиболее распространенному, наиболее универсальному и наиболее важному из всех элементов — углероду.

Сканирующая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия — это методы изучения того, как выглядит чешуйка графена, но на гораздо более тонком уровне, чем это возможно в оптической микроскопии. Эти два анализа имеют гораздо более высокое разрешение при увеличении и, следовательно, позволяют обнаруживать разрывы, разрывы и другие проколы на отщепе; такие проколы могут существовать естественным образом или образоваться во время изоляции графена или обращения с ним.Эти два анализа в сочетании с АСМ дадут наиболее полную трехмерную картину графена / графитового образца в целом.

Последним крупным анализом, выполненным CA2DM, является рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS). XPS определяет химический состав образца неразрушающим образом и, таким образом, предоставит вам всю информацию, которую предоставляет CNHS, но при этом позволит вам восстановить образец. В этом методе рентгеновское излучение направлено на поверхность графена, и часть рентгеновского излучения поглощается электронами в образце.Электроны выбрасываются из образца с энергетической характеристикой элемента в образце, которая сообщает вам, какие элементы присутствуют и в каком количестве.

Помимо метода скотча и химического отшелушивания, какие у нас могут быть варианты для производства графена в больших количествах? Есть ли способ распечатать или вырастить что-нибудь в графен? Для отделения кусков графита от поверхности более крупных кусков графита можно использовать механическое расслоение, с последовательным отслаиванием, проводимым для изоляции нескольких однослойных листов.За прошедшие годы этот процесс был значительно усовершенствован, и теперь действительно используются специальные ленты, которые легче растворяются в воде или других растворителях, чем офисная лента. Это делает нанесение хлопьев графена еще проще, чем раньше.

Второй метод — химическое отшелушивание — имеет историю с конца 1800-х годов. Как и в случае с процессом механического отшелушивания, исследователи расширили эту область, разработав новые параметры отшелушивания. Как правило, они менее агрессивны для графита и, таким образом, сводят к минимуму повреждение графеновых поверхностей.Возможно, в этом методе используются перерабатываемые материалы, что будет чрезвычайно важно для любой компании, которая хочет производить буквально тонны графена в год. Некоторые из улучшений улучшают выход чистых однослойных хлопьев, что является наиболее важной из всех оптимизаций.

Графен также может быть выращен из карбида кремния для получения так называемого эпитаксиального графена .

Рост графенового слоя в результате разложения карбида кремния в настоящее время является чрезвычайно сложным процессом, в котором кремний сублимируется при высокой температуре, но атмосфера над поверхностным слоем изменчива.Настройка среды над поверхностью позволяет исследователям производить графен с большей эффективностью, чем в атмосфере под открытым небом. В редакционной статье 2009 года « Nature Materials » Питера Саттера описывается прогресс в эпитаксиальном росте, который включает удаление воздуха над поверхностью карбида кремния и замену его атмосферой инертного благородного газа. С тех пор исследования вернулись к реактивной атмосфере.

В результате три группы со всей Германии разработали метод, в котором они приклеили пластик, сделанный из множества ароматических шестиугольников бензола, на поверхность карбида кремния и обнаружили, что этот пластик на самом деле значительно улучшил размер и качество монослоев графена, полученных из кремния. сублимация.Эта работа была вдохновлена ​​более ранней статьей, в которой CVD сочетается с эпитаксиальным ростом для повышения выхода графена. Кажется, что каким-то образом комбинация этих двух процессов создает продукт, который на лиги лучше любого изолированного метода. Если время покажет, что эта комбинация окажется воспроизводимой и экономичной, она может подготовить почву для взлета повседневной важности графена. Более того, он может даже вытеснить природный графит, добытый из высокотехнологичного графена. Это может обернуться катастрофой для компаний, занимающихся добычей графита, которые делают ставку на продажи потребителям графена.Это будет разработка, за которой нужно внимательно следить.

Дорогие, редкие или другие ценные исходные материалы вызовут значительный спрос на эти исходные материалы, что ограничит использование графена в повседневных материалах. Следовательно, абсолютно необходимо найти способ надежного изготовления графена из дешевых (или бесплатных) ресурсов. Если бы графен можно было сделать из вещей, которые в противном случае пошли бы впустую, это значительно снизило бы долгосрочную цену графена, чтобы любой мог получить к нему доступ.

Если бы такой процесс был доступен, те, кто его изобрел, были бы оценены так же высоко, как Фриц Габер, получивший Нобелевскую премию по химии в 1918 году «за синтез аммиака из его элементов». Габер взял азот из воздуха и водород из метана, объединил их под высоким давлением и температурой над металлическим катализатором, чтобы ускорить реакцию, и бум! Аммиак вышел из реакции, готовый к внесению в удобрение. Изобретение Габера буквально кормит мир.

Какой исходный материал мы могли бы использовать для получения углерода в качестве сырья, которое не будет чрезмерно облагать налогом типичные источники углерода, такие как ископаемое топливо или природный газ? Конечно, один из вариантов — собрать углекислый газ из воздуха и восстановить его до C.Однако это чрезвычайно энергоемкий процесс, и никакие технические достижения в рамках известных законов физики не уменьшат эту потребность в энергии.

Если бы графен мог быть сделан из вещей, которые в противном случае пошли бы прахом, это значительно снизило бы долгосрочную цену графена.

Это возвращает нас к размышлениям о том, что в изобилии повсюду вокруг нас, эффективно использует улавливание углерода и может улавливать этот углерод без прямого поступления энергии от человека: растения.Растения поглощают пассивный солнечный свет и углекислый газ из атмосферы и в большинстве мест растут сами по себе. Огромные деревья — поглотители углерода, ставшие возможными благодаря фотосинтезу. За год образуется много растительных отходов, которые могут пойти на создание графена, если в противном случае он займет место на свалке. Инвазивные виды растений, такие как кудзу и бамбук на юго-востоке США, могут служить сырьем.

Джеймс Тур довел это до логического предела в 2011 году, сделав ставку.Тур думал о способах использования уже свободного углерода в окружающей среде. Ему удалось преобразовать оргстекло (полиметилметакрилат) в графен, и его следующей целью был столовый сахар. После того, как столовый сахар превратился в хлопья графена пиролиза-CVD на куске медной фольги, один из его коллег оживился и осмелился Тур сделать графен из шести различных углеродных материалов: печенья, шоколада, травы, полистирола (пенополистирола). , тараканы и собачьи фекалии.Этот результат интересен, поскольку упомянутая выше австралийская лаборатория потерпела неудачу при использовании субстрата из медной фольги для процесса переработки соевого масла. Однако эти противоречивые истории означают, что есть огромные возможности для улучшения нашего понимания того, как графен образуется из газообразных молекул.

Используя тот же метод, что и для столового сахара, все предложенные необычные источники углерода производили небольшие хлопья высококачественного графена. Тур и его коллеги подчеркнули, что никакой подготовки или очистки этих странных материалов не требуется.Другими словами, ножку таракана можно было уронить на фольгу, нагреть и вылезти из нее графен. С такой легкостью не получится даже испечь торт. Открытие Тура в 2011 году в сочетании с результатами CVD-эпитаксии, сделанными немецкой командой в 2016 году, может дать четкий путь к созданию больших, дешевых бездефектных образцов графена.

В настоящее время НАСА изучает способы переработки углекислого газа, выделяемого дыханием астронавтов на Международной космической станции, в графен. У этого улучшения системы жизнеобеспечения будет двойной бонус.Во-первых, отходы, такие как двуокись углерода, в противном случае требуют улавливания с помощью специальных химикатов, которые необходимо отправлять специальными грузами с Земли. Переработка углекислого газа в графен будет означать, что потребуется меньше миссий по пополнению запасов.

Превращение углекислого газа в графен дает еще одно преимущество: полученный графен может быть включен в новые солнечные элементы, или может быть использован в системах очистки воды, или в тысяче других возможностей, вместо того, чтобы пытаться выбросить его наружу. воздушный шлюз.Эта возможность помогает удлинить пуповину между станцией и Землей. В конце концов, нам нужно полностью отрезать эту пуповину, если мы хотим когда-нибудь отправить людей в расширенные миссии на другие планеты и за их пределы.

К счастью, для нас, землян, есть и побочная выгода. Подобный процесс также сможет забрать углекислый газ из атмосферы и превратить наше собственное дыхание в органическую электронику или миллион других вещей, в которых можно найти применение графену. Хотя превращение углекислого газа в графен не было бы рентабельным или энергоэффективным на Земле (прямо сейчас), обильная энергия солнечных элементов на борту Международной космической станции может дать толчок, необходимый для удаления кислорода из углекислого газа.Компании могут «добывать» атмосферу, чтобы получить углекислый газ из процессов, которые не могут не производить его, и превращать отработанный газ в сырье для дальнейшей продукции. Принцип «не тратьте, не хочу», который хорошо знает каждый путешественник и исследователь, означает, что система, предназначенная для повторного использования, в конечном итоге увеличит шансы на успех миссии (будь то на Земле или в космосе), а также минимизирует воздействие на окружающую среду. Избыточность на Земле может быть только хорошей вещью. В космосе это безусловное требование.

Графен состоит из чистого углерода в виде одного листа в виде плоского шестиугольника. Любые изменения в этой структуре означают, что полученное химическое вещество больше не является графеном; вместо этого это производное графена. Графен ведет себя совсем не так, как оксид графена, и оба ведут себя иначе, чем графен, легированный литием.

Возьмем, к примеру, разницу между двумя образцами вспученного графита от двух разных компаний. Один образец мог быть расслоен с помощью довольно жесткого процесса, так что расслоение добавляло дефекты атомов кислорода или спиртовых групп к чешуйкам графена.Второй образец можно было расслоить более мягко, чтобы сохранить структуру, состоящую только из углерода, без добавления дырок или разрывов на хлопьях. Что лучше другого? Как их отличить? Оба производителя наклеили на бутылку «Графен» и продали его вам по непомерно высокой цене; они должны быть неотличимы в составе продукта, и поэтому вы можете просто выбрать более дешевый вариант, верно? Не так. Источник графена и способ его получения имеют огромное значение для его работы.Устройство может вообще не работать или просто работать хуже, чем ожидалось.

Стандартов для производства графена еще не существует, и не все компании вообще поддерживают их. Эти стандарты могут принимать множество возможных форм и не обязательно означают правовое регулирование. Совершенно очевидно, что это была бы крайняя мера и не имела бы исковой силы в других странах. Учитывая международное игровое поле для графена, это было бы серьезным препятствием. Никто этого не хочет.Однако на данном этапе игры большинство продуктов с пометкой «графен» на рынке на самом деле не являются графеном. Скорее, это тонкие чешуйки графита, толщина которых может достигать нескольких сотен слоев. Некоторые производители могут производить хлопья с высоким выходом монослойного графена, и эти компании с радостью сообщат вам, что они производят гарантированный процент монослойного графена, при этом большая часть остальной части образца состоит из агрегатов чешуек толщиной от двух до десяти слоев. . Несколько слов тем из вас, кто заинтересован в использовании настоящего графена для приложения: спросите об этой толщине чешуек у своего поставщика.Крайне важно передать то, что они говорят, в независимую лабораторию для проверки, чтобы установить окончательный уровень доверия.

В идеале изложенные стандарты должны сортировать графен с учетом таких параметров, как выход монослойных хлопьев, размер этих хлопьев и элементный анализ образца (как минимум). Таким образом, поставщик может оплатить стоимость производства своего так называемого образца графена, вместо того, чтобы завышать стоимость графита, измельченного в кухонном блендере. Caveat emptor. С другой стороны, если поставщик продает эпитаксиально выращенный графен с большой площадью поверхности с повторяемым или поддающимся проверке сертификатом анализа, тогда у вас может быть оправдание платить больше за этот образец.

Потенциал графена изменить ход бесчисленных отраслей промышленности ограничен только воображением и хитростью руководителей бизнеса, которые разделяют видение со знающим химиком, инженером или физиком. Более смелые и предприимчивые технологии будут развиваться, добавляя к графену различные молекулы, рассматривая его как основу, на которую можно прививать биомолекулы, возможно, как пассивные сенсоры для химического и биологического оружия.

Графен в качестве материала покрытия может даже изменить отрасль в краткосрочной перспективе. Поскольку графен в основном нереактивен и очень гидрофобен, любая поверхность, покрытая слоем графена, будет двигаться через воду с уменьшенным трением из-за поверхностного натяжения воды и металла. Слой графена на танкерах сделает мировые перевозки более эффективными. Добавление слоя графена на лобовое стекло создаст поверхность, которая будет не только прозрачной (потому что сам графен прозрачен), но и естественным образом отталкивает воду и повышает безопасность водителя во время ливня.Хотите уменьшить сопротивление воздуха в высокопроизводительном автомобиле? Убедитесь, что его оболочка абсолютно атомарно плоская, заключив ее в графен. Может быть, особенно талантливый инженер в будущем спроектирует автомобиль с идеально плавным и равномерным обтеканием кузова автомобиля, вырабатывая еще несколько лошадиных сил от двигателя и еще несколько миль на галлон от бака.

И все это стало возможным с помощью одного из самых распространенных, наиболее универсальных и наиболее важных из всех элементов, углерода — того же углерода, который составляет основу всех известных форм жизни на Земле и позволяет формировать графен. : графен — сверхпрочный, сверхтонкий и сверхразмерный материал, который произведет революцию в мире.

---

Эта статья взята из книги Graphene: The Super Strong, Superthin и Superversatile Material, которая революционизирует мир (Prometheus Books, 2018). Печатается с разрешения издателя.

.