Графит проводит электрический ток или нет

Содержание

Область применения графита, описание и свойства. Виды природного и искусственного графита — химическая структура, механические и физические характеристики.

Графит (от др.-греч. γράφω — пишу) – это природный материал, относящийся к классу самородных элементов, аллотропная модификация углерода. Он имеет слоистую структуру. Каждый слой кристаллической решетки графита может по-разному располагаться по отношению друг к другу, образуя политипы. Графит находит свое применение в производственной и промышленной деятельности. Графитовые изделия отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками. Графит устойчив к химическим и природным воздействиям, он достаточно прочный, хорошо проводит электрический ток, отличается низкой твердостью, относительной мягкостью, после воздействия высоких температур затвердевает. Плотность составляет 2.23 г/см 3 . Графит имеет металлический блеск и темно-серый цвет. Теплопроводность этого минерала достаточно большая, поэтому его используют для изготовления комплектующих деталей электрооборудования.

Структура и состав графита

Структура имеет свои определенные особенности. Атомы углерода ковалентно связаны между собой.

Модификаций природного минерала существует две:

α-графит (гексагональный). В данной модификации половина атомов каждого из слоев располагается под и над центром шестиугольника.
β-графит (ромбоэдрический). В этой модификации графита каждый четвертый слой атомов повторяет первый. В природе он в чистом виде не наблюдается. При температуре от 2500 до 3300К ромбоэдрический графит переходит полностью в гексагональный. Природный материал удобно представляется в гексагональных узлах.

Химический состав графита не отличается чистотой. В большом количестве (до 10-20%) присутствует зола, состоящая из разных составляющих (FeO, SiO2, Аl2O3, MgO, Р2О5, CuO, СаО и др.), газы (до 2%) и битумы, иногда вода.

Цвет преобладает железно-черный, доходя до стально-серого. Имеет сильный металловидный блеск; скрытокристаллические агрегаты не блестят, матовые. Показатель преломления графита Nm==l,93-2,07. На ощупь жирный, оставляет след на бумаге и пальцах. Удельный вес графита 2,09-2,23 (меняется исходя от степени дисперсности и присутствия тончайших пор), у шунгита 1,84-1,98. Обладает высокой электропроводностью, что связано с очень плотным расположением атомов в листах.

Графит не плавится, если накаливать в струе кислорода, то сгорает тяжелее в сравнении с алмазом. Улетучивается лишь в пламени вольтовой дуги, не плавясь. В кислотах не растворяется. В смеси с KNO3 порошок при нагревании дает вспышку.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МИНЕРАЛА

Графит отлично проводит электричество – по этому показателю он превосходит, например, ртуть. Нагревание минерала способствует улучшению проводимости электрического тока. Таким образом, у минерала отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При 0 градусов он находится в диапазоне 0,39-0,602 ом. Что касается предела удельного сопротивления – он одинаковый для всех видов материала и составляет 0,0075 Ом. Этими свойствами объясняется широкое использование графита в электрометаллургии.

ГРАФИТ. НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА

Этот показатель очень зависит от структуры и типа материала: у явнокристаллического и чешуйчатого графитов он ощутимо отличается. Играет роль также температура и анизотропия минерала.

ПРОЧНОСТЬ

Еще одна характеристика, выделяющая графит среди прочих природных минералов. Она меняется в зависимости от температуры. У большинства марок (включая искусственные виды материала) при нагревании возрастает предел прочности при изгибе, сжатии и растяжении (до двух раз). Максимум достигается при 2200-2800 градусах. Если же температура поднимается выше 3000 градусов, прочностные характеристики стремительно падают.

Самой высокой прочностью отличается рекристаллизованный материал.

Серый, черный, стальной

Хорошо проводит электрический ток, относительно мягкий, имеет металлический блеск, устойчив при нагревании, скользкий на ощупь и хорошо известен своей чешуйчатой структурой – все это свойства графита. С этим минералом мы знакомимся еще в детстве, когда к нам в руки попадает простой карандаш. Но помимо стержней у графита еще множество полезных применений. О свойствах, характеристиках, способах переработки и применения графита читайте в нашем материале.

История о первом карандаше

Ученые не могут понять, когда древние люди впервые начали использовать графит. Все дело в том, что по своим красящим свойствам он напоминает другие минералы. В частности – молибденит. Так что рисовать и чертить люди могли с помощью разных ископаемых. А вот первое точно зафиксированное применение графита – древняя посуда культуры Боян-Марица, раскрашенная графитом за 4000 лет до н. э. Однако старинные карандаши появились, увы, не в эпоху неолита.

Широкое применения графита в рисовании началось после происшествия в Англии. В середине XVI века в графстве Камберленд была сильная буря. Много старых и грузных деревьев были повалены вверх корнями. В образовавшихся ямах пастухи нашли твердое красящее вещество, напоминающее уголь. Местные ремесленники решили, что это разновидность олова и прозвали минерал «рисовальным оловом». Свое нынешнее название графит обрел лишь в 1789 году, благодаря немецкому геологу Абрааму Вернеру. В основе – древнегреческое слово «γράφω», что означает «я пишу».

Свойства и характеристики

Графит обладает рядом полезных свойств, которые сегодня активно применяются в промышленности. Чтобы не вдаваться в подробности, для знакомства с графитом достаточно основных характеристик:

Проводит электрический ток;
Обладает низкой твердостью (1 по шкале Мооса);
Плотность 2,08—2,23 г/см³;
Цвет серый, черный, стальной/ блеск металлический;
Устойчив при нагревании в отсутствие воздуха;
Жирный, скользкий на ощупь (содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа);
При трении расслаивается на отдельные чешуйки (например, след карандаша на бумаге – последовательно уложенные чешуйки графита).

Происхождение и добыча

Природный графит образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, а именно – пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и другими минералами. Широко распространен в кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате термического разложения каменного угля на каменноугольные отложения. Известное месторождение графита – Тунгусский бассейн. В горных породах, где есть графит, часто встречаются сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель. В очень малых количествах графит присутствует в составе метеоритов.

Помимо природного графита, есть графит искусственный. Его ученые научились получать разными способами.

Ачесоновский графит. Производится из смеси кокса и пека при нагревании до 2800 °C;
Рекристаллизованный графит. Основной способ – термомеханическая обработка смеси кокса, пека, природного графита и карбидообразующих элементов.
Пиролитический графит. Производится путем пиролиза (термического разложения) из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500 °C в вакууме с последующим увеличением температуры до 2500—3000 °C при давлении 50 Мпа. В результате получается пиро- или электрографит.
Доменный графит. Выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.
Карбидный графит. Образуется при термическом разложении карбидов.

Применение и переработка

У графита много областей применения. Он используется в производстве нагревательных элементов, так как обладает высокой электропроводностью и стойкостью практически к любым агрессивным водным растворам. В твердых смазочных материалах, при производстве токосъемников, тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов. О некоторых вариантах применения графита на практике расскажем подробнее.

Отверждение отходов

Ученые научились не только синтезировать графит, но и перерабатывать его в другие вещества с улучшенными качествами. Так, например, появился терморасширенный графит. Технология производства такая: исходный кристаллический графит окисляют с помощью молекул и ионов серной или азотной кислоты в присутствии окислителя. Окисленный графит отмывают и сушат, а затем подвергают высокой термической обработке на большой скорости. Благодаря скорости процесса происходит разложение внедренной серной кислоты из кристаллической решетки графита и дальнейшее выделение газообразных продуктов. Они давят на межкристальное пространство и расклинивают структуру графита, расширяя его. Далее материал прокатывают, армируют (увеличивают прочность с помощью дополнительной арматуры), добавляют присадки для улучшения свойств и прессуют. Терморасширенный графит отличается высокой удельной прочностью и низкой насыпной плотностью. Выглядит как порошок. Его используют в атомной промышленности для отверждения отходов радиоактивных масел.

Замедление нейтронов

В ядерной промышленности графит также играет важную роль при замедлении нейтронов. Однако природный графит для этих целей не подходит, так как в нем слишком много примесей. Реакторный графит получают из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Из них прессуют блоки и термически их обрабатывают при высокой температуре. Замедлители нейтронов при ядерной реакции крайне важны, без них реакция может не состояться.

Калибровочный материал

Существует также пиролитический графит, который используется в сфере микроскопических исследований в качестве калибровочного материала. Этот вид создан искусственно при нагревании кокса и пека. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии.

Наполнение для пластмасс

Графитопласты – это композиционные материалы на основе углеграфитовых наполнителей и полимерных связующих. В состав могут входить природный, тигельный или коллоидный графиты. Графитопласт используется для производства скользящих электроконтактов, узлов трения сельскохозяйственной техники, насосов, компрессоров без смазки, сепараторов водоэмульсионных сред, химически стойких узлов оборудования, теплообменников для агрессивных сред.

Золото и алмазы

Материал подготовлен по данным из открытых источников.

Графит и его применение в электротехнике

Название «графит» происходит от греческого слова «графо» — писать. Данный минерал представляет собой одну из модификаций углерода, обладающую характерной слоистой структурой. Сохранились исторические свидетельства применения графита в древности в качестве красящего средства, — это глиняная посуда, датированная 40 веком до нашей эры, раскрашенная при помощи данного минерала.

Современное название графит получил в 1789 году от немецкого геолога и педагога Абраама Готлоба Вернера, который в числе прочего занимался изучением пластов осадочных пород, а также разработал шкалы для определения минералов по внешним признакам.

В природе графит образуется на небольшой глубине, благодаря метаморфизму горных пород, содержащих в составе органические остатки. По физико-химическим свойствам графит представляет собой кристаллическое тугоплавкое вещество, слегка жирное на ощупь, черного или серого цвета, с характерным металлическим блеском.

По сравнению с алмазом графит очень мягкий, благодаря слоистой структуре атомной решетки. Атомы углерода расположены в графите послойно, причем расстояние между слоями больше чем между атомами в одном слое, и электроны, которые связывают слои между собой, образуют сплошное электронное облако – вот почему графит является проводником тока и имеет характерный металлический блеск.

При плотности от 2,08 до 2,23 г/см 3 , его удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре в 765 раз выше чем у меди.

В отличие от алмаза, графит хорошо проводит как электричество, так и тепло. Мягкость графита (в смеси с каолином) применяется в карандашах. Если посмотреть на графит под микроскопом, легко заметить чешуйки, именно они остаются на бумаге формируя след, когда мы используем карандаш.

Физические и химические особенности графита открыли его широкое применение в различной электротехнике. Благодаря химической стойкости к агрессивным водным растворам, тугоплавкости и высокой электропроводности, из графита изготавливают электроды и нагревательные элементы разнообразного назначения. Например, при получении активных металлов с помощью электролиза, именно из графита делают электроды.

При получении алюминия, графит сам улетучивается из зоны реакции электролизера в составе углекислого газа, так что нет необходимости применять иные сложные меры по его утилизации.

Высокоомные токопроводящие клеи в качестве проводящего компонента содержат как раз графит. Ну и все, конечно, знают, что именно из графита делают различные контактные щетки и токосъемники электрического оборудования (коллекторные двигатели на электротранспорте и подъемных кранах, контакты токовых реостатов и т.п.), где необходим подвижный и в то же время надежный электрический контакт.

Но если мы сказали, что графит такой мягкий, как же из него тогда делают щетки коллекторных узлов, которые постоянно трутся о контактные пластины и кольца? Ведь очень часто графитовые щетки можно встретить в бытовых приборах: в миксере, электробритве, кофемолке, электродрели, болгарке и т. д. В чем же здесь секрет? Почему щетки мгновенно не изнашиваются подобно карандашу?

А суть в том, что щетки для электротехники изготавливают не из чистого графита, а из графита с добавлением связующего вещества, да еще и подвергают специальной обработке. Технология производства щеток достаточно сложна, она включает в себя процессы прессования и обжига, что делает щетки более прочными и износостойкими.

Так, на последнем этапе производства, электрографитовые щетки насыщают углеродом в печи при температуре в 2500 градусов! Металлографитовые щетки содержат порошки металлов и сажу.

Существуют твердые, средние и мягкие электрографитовые щетки. Мягкие щетки:

ЭГ-4 и ЭГ-71; ЭГ-14 — средние, универсальные;
ЭГ-8 и ЭГ-74 — твердые, они содержат в своем составе абразивный порошок.

Твердые щетки применяются в условиях высоких температур и затрудненной коммутации, так что входящий в состав щетки абразив придает щетке дополнительную чистящую функцию, когда щетка не только передает ток на коллектор, но и сразу чистит его от нагара.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Сферы применения графита

Стойкость к высоким температурам и расплавленным металлам делает возможным использование графита при производстве тиглей для плавления и футеровочных плит.
Большая степень проводимости электрического тока и нерастворимость в кислоте способствуют его применению при создании нагревательных элементов и электродов.
Принимает участие в получении химических металлов, твёрдых материалов для смазки, пластмассовых наполнителей, жидких смазок.
Оказывает замедляющее действие на нейтроны в ядерных реакторах.
Совместно с каолином помогает получать стержни для графитовых карандашей.
С его помощью производят искусственные алмазы, контактные щётки, токосъёмники, электрический транспорт, подъёмные краны.

Кроме того, минерал используется гомеопатами при лечении кожных заболевания, таких как экзема, псориаз и лишай. Возможно его применение в случае нарушения обмена веществ, гормональных сбоях щитовидной железы, при ринитах, астме. Влияет графит и на эмоциональный фон человека, поэтому иногда его прописывают при головных болях, депрессии и апатии.

Важнейшие свойства графита

Электрические свойства

Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 ом.

Термические свойства

Графит обладает большое теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и занимает место между палладием и платиной.

Коэффициент теплопроводности 0,041( в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных.
Температура плавления графита — 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм.
Точка кипения доходит до 4200 С.
Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, находится в пределах от 7832 до 7856 ккал.

Магнитные свойства

Графит считается диамагнитным.

Растворимость графита

Химически инертен и не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При растворении образуются карбиды, наиболее важными свойствами которых являются карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора.
При обычных температурах графит соединяется с другими веществами весьма трудно, но при высоких температурах он дает химические соединения со многими элементами.

Упругость графита

Графит не обладает эластичностью, но тем не менее он может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм 2 , а модуль изгиба равен 836 кг/мм2.

Оптические свойства

Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55.

Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям.

Благодаря этим свойствам имеется возможность создавать тонкие пленки при натирании графитом поверхности твердых тел.

Низкий коэффициент теплового расширения графита и связанная с этим высокая стойкость к температурным напряжениям, является решающим фактором применения его, как важного и незаменимого вспомогательного материала в металлообрабатывающей, чугунолитейной и сталелитейной промышленности, т.е. всюду, где рабочие поверхности должны предохраняться от прямого воздействия расплавленного металла. Важным преимуществом при таком использовании является также его несмачиваемость, полностью восстановленными металлами и нейтральными шлаками, прочность при высоких температурах. Применение графита при отливе деталей повышает качество отливов, уменьшает количество брака, и предупреждает образование пригара, на удаление которого требуется большие усилия и затраты.

Сырые литейные формы и стержни покрываются слоем сухого графитового порошка. Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической промышленности.

Графит прекрасный футеровочный материал электролизеров для получения алюминия. Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других тепловых агрегатов.

Из графита готовятся тигли, лодочки для производства сверхтвердых сплавов.
В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства теплообменников, работающих в агрессивных средах.

А так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.
Отечественная промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные — гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи.

В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников.

Физические свойства графита

Одним из главных свойств графита является его способность проводить электрический ток. Его физические свойства отличаются от параметров алмаза тем, что у него не такой высокий уровень твердости. Его структура является изначально довольно мягкой. Однако после нагревания она становится твердой и хрупкой. Материал начинает рассыпаться.

Физические свойства графита являются следующими:

не растворяется в кислоте.
плавление графита при температурах меньше 3800 градусов Цельсия невозможно.
после нагревания приобретает твердую и хрупкую структуру.

Это далеко не все свойства графита. Есть еще параметры, которые делают этот элемент уникальным.

Графиту присущи следующие характеристики:

температура плавления графита составляет 3890 градусов Цельсия,
цвет графита является темно-серым с металлическим отливом,
теплоемкость графита составляет 0.720 кДЖ
удельное сопротивление графита составляет 800.000 · 10 − 8 (Ом · Метр).

Внимание: Единственный параметр из всех характеристик графита, который зависит от вида элемента, является теплопроводность графита. Она составляет 278,4 до 2435 Вт/(м*К).

Таблица. Физические свойства графита.

ХарактеристикиНаправление потокаТемпература, °С 20200400600800

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м°С) графита:
— кристаллический	\|\|	354,7	308,2
— естественный	_\|_	195,4	144,2	112,8	91,9	75,6
— прессованный	\|\|	157	118,6	93,0	69,8	63,9
— искусственный с р=1,76 г/см 3	_\|_	104,7	81,4	69,8	58,2
— то же, с р=1,55 г/см 3	\|\|	130,3	102,3	79,1	63,9	53,5
Сопротивление разрыву σпц, МН/м 2	\|\|	14,2	15,2	15,9	16,5	17,6
Сопротивление разрыву σпц, МН/м 2	_\|_	10,3	11,3	12,0	12,5	13,7
Модуль упругости Е, МН/м 2	\|\|	5880	7100	7350	7500	7840
Модуль упругости Е, МН/м 2	_\|_	2700	3040	3200	3630	3920
Удельная теплоемкость с, кДж/(кг 0 С)	0,71	1,17	1,47	1,68	1,88
Электросопротивление рэ104, Омсм	16	13	11	10	9
Коэффициент линейного расширения α·10 6 , 1/°С	\|\|	7,2* 1	8,5* 2	10,0* 3	13,0* 4
	_\|_	4,0* 1	5,5* 2	6,8* 3	9,3* 4
	\|\|	1,8* 1	1,55* 2	1,45* 3	1,40* 4

Добыча графита

Добыча графита является сложным процессом. Для этого создано большое количество разновидностей оборудования. Оно используется для добычи и дробления элемента. Залежи графита обычно находятся глубоко под землей. Именно по этой причине чаще всего используются бурильные установки, которые позволяют добраться до месторождения этого элемента.

Как известно такой материал, как графит обладает большим количеством уникальных качеств. Именно они обуславливают сферы его применения. Благодаря тому. что данный материал обладает устойчивостью к высоким температурам его применяют для производства футеровочных плит.

Применение графита используется и в сфере ядерной промышленности. Там он играет важную роль при замедлении нейтронов.

Получение алмаза из графита тоже возможно. В современном мире есть возможность получать синтетический алмаз, который по своим качествам и внешнему виду будет напоминать природный материал.

Пиролитический графит представляет собой особую форму такого элемента, как графит. Данная его разновидность нашла широкое применение в сфере микроскопических исследований. Его применяют в качестве калибровочного материала. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной микроскопии и в атомно-силовой микроскопии. Данная разновидность графита относится к разряду синтетических. Его получение возможно при нагревании кокса и пека.

Благодаря графиту можно получать активные металлы с химической точки зрения путем электролиза. Данный метод использования элемента объясняется тем, что у графита достаточно хорошая электропроводность.

При производстве пластмассовых изделий графит тоже нашел свое применение. Его используют для наполнения пластмассы.

Самым известным методом использования графита является производство стержней для обычных простых карандашей, к которым так привыкли люди.

Статьи по теме

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцементом называется искусственно полученное гидравлическое вещество, обладающее вяжущим эффектом.

Свойства полимеров

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифицировать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи.

Свойства фенола

Фенолы и их производные содержатся в древесине, торфе, буром и кам. углях, нефтяных остатках. В живой природе фенолы, гл. обр. в виде производных, присутствуют в клетках растений.