วัสดุและการใช้งานที่มีแนวโน้มมากที่สุดในศตวรรษที่ 21
Jul 16, 2021
บทนำ:
กราไฟต์เป็นอัลโลโทรปของธาตุคาร์บอน รอบนอกของอะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมเชื่อมต่อกับอะตอมของคาร์บอนอีกสามอะตอม (รูปหกเหลี่ยมหลายรูปเรียงกันเป็นรังผึ้ง) ถูกพันธะโควาเลนต์เพื่อสร้างโมเลกุลโควาเลนต์ เนื่องจากอะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมปล่อยอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเหล่านั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ กราไฟต์จึงเป็นตัวนำไฟฟ้า กราไฟต์เป็นหนึ่งในแร่ธาตุที่อ่อนที่สุด และการใช้งานนั้นรวมถึงการผลิตไส้ดินสอและสารหล่อลื่น คาร์บอนเป็นธาตุที่ไม่ใช่โลหะ ซึ่งอยู่ในกลุ่ม IVA ในช่วงที่สองของตารางธาตุ
ลักษณะ
คุณสมบัติทางเคมีของธาตุคาร์บอนค่อนข้างคงที่ที่อุณหภูมิห้อง และไม่ละลายในน้ำ กรดเจือจาง ด่างเจือจาง และตัวทำละลายอินทรีย์ มันทำปฏิกิริยาและเผาไหม้กับออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงต่างกันเพื่อสร้างคาร์บอนไดออกไซด์หรือคาร์บอนมอนอกไซด์ ในบรรดาฮาโลเจน มีเพียงฟลูออรีนเท่านั้นที่ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับธาตุคาร์บอน ภายใต้อุณหภูมิสูง ธาตุคาร์บอนจะง่ายต่อการถูกออกซิไดซ์ด้วยกรด ที่อุณหภูมิสูง คาร์บอนยังสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะหลายชนิดเพื่อสร้างคาร์ไบด์โลหะ คาร์บอนมีค่ารีดักชั่นและสามารถหลอมโลหะที่อุณหภูมิสูงได้ กราไฟต์เป็นแร่ที่เป็นผลึกของธาตุคาร์บอน และโครงข่ายคริสตัลของมันคือโครงสร้างเป็นชั้นหกเหลี่ยม ระยะห่างระหว่างชั้นตาข่ายแต่ละชั้นคือ 340 น. และระยะห่างระหว่างอะตอมของคาร์บอนในชั้นตาข่ายเดียวกันคือ 142 น. มันเป็นของระบบคริสตัลหกเหลี่ยมที่มีความแตกแยกเป็นชั้นสมบูรณ์ พื้นผิวที่แตกแยกถูกครอบงำด้วยพันธะโมเลกุล ซึ่งมีแรงดึงดูดต่อโมเลกุลน้อยกว่า ดังนั้นความสามารถในการลอยตัวตามธรรมชาติจึงดีมาก กราไฟต์ เพชร คาร์บอน 60 ท่อนาโนคาร์บอน ฯลฯ ล้วนเป็นสารธรรมดาของคาร์บอน และล้วนเป็นอัลโลโทรป คุณสมบัติพิเศษของกราไฟท์ ทนต่ออุณหภูมิสูง: จุดหลอมเหลวของกราไฟท์คือ 3850±50°C และจุดเดือดคือ 4250°C แม้หลังจากการเผาไหม้อาร์คที่อุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ การลดน้ำหนักก็น้อยมาก และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนก็น้อยมากเช่นกัน ความแข็งแรงของกราไฟท์จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ที่อุณหภูมิ 2000 องศาเซลเซียส ความแข็งแรงของกราไฟท์จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า
วัสดุทนไฟ
ในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า วัสดุทนไฟกราไฟต์ใช้สำหรับวัสดุบุผิวทนไฟของเตาหลอมอาร์คและตัวแปลงออกซิเจน วัสดุบุวัสดุทนไฟทัพพี ฯลฯ วัสดุทนไฟกราไฟท์ส่วนใหญ่เป็นวัสดุหล่อหลอมรวม อิฐคาร์บอนแมกนีเซีย และวัสดุทนไฟกราไฟท์อะลูมิเนียม กราไฟต์ยังใช้เป็นวัสดุขึ้นรูปฟิล์มสำหรับผงโลหะและการหล่อโลหะ ผงแกรไฟต์ถูกเติมลงในเหล็กหลอมเหลวเพื่อเพิ่มปริมาณคาร์บอนของเหล็ก เพื่อให้เหล็กกล้าคาร์บอนสูงมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมมากมาย
วัสดุนำไฟฟ้า
ในอุตสาหกรรมไฟฟ้า ใช้ทำอิเล็กโทรด แปรง แท่งคาร์บอน ท่อคาร์บอน อิเล็กโทรดขั้วบวกของอุปกรณ์กระแสบวกปรอท เครื่องซักผ้ากราไฟต์ ชิ้นส่วนโทรศัพท์ สารเคลือบสำหรับหลอดภาพโทรทัศน์ ฯลฯ
วัสดุหล่อลื่นที่ทนต่อการสึกหรอ
กราไฟต์มักใช้เป็นสารหล่อลื่นในอุตสาหกรรมเครื่องจักร น้ำมันหล่อลื่นไม่สามารถใช้งานได้ภายใต้สภาวะความเร็วสูง อุณหภูมิสูง และความดันสูง ในขณะที่วัสดุที่ทนต่อการสึกหรอของกราไฟท์สามารถทำงานที่ความเร็วการเลื่อนสูงที่อุณหภูมิ -200 ถึง 20000°C โดยไม่ต้องใช้น้ำมันหล่อลื่น อุปกรณ์จำนวนมากที่ขนส่งสื่อที่มีฤทธิ์กัดกร่อนใช้วัสดุกราไฟท์อย่างแพร่หลายเพื่อทำถ้วยลูกสูบ ซีล และแบริ่ง พวกเขาไม่จำเป็นต้องเติมน้ำมันหล่อลื่นเมื่อทำงาน อิมัลชันกราไฟท์ยังเป็นสารหล่อลื่นที่ดีสำหรับการแปรรูปโลหะหลายประเภท (การดึงลวด การดึงท่อ)
วัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน
กราไฟท์ที่ผ่านการแปรรูปพิเศษซึ่งมีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน การนำความร้อนที่ดี และการซึมผ่านต่ำ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ถังปฏิกิริยา คอนเดนเซอร์ หอเผาไหม้ หอดูดซับ เครื่องทำความเย็น เครื่องทำความร้อน และตัวกรอง อุปกรณ์ปั๊ม . มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ไฮโดรโลหะ การผลิตกรดเบส เส้นใยสังเคราะห์ การผลิตกระดาษ และภาคอุตสาหกรรมอื่น ๆ ซึ่งสามารถประหยัดวัสดุโลหะได้มาก
วัสดุโลหะที่มีอุณหภูมิสูง
เนื่องจากกราไฟท์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเพียงเล็กน้อย และสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนอย่างรวดเร็วและเย็นอย่างรวดเร็ว จึงสามารถใช้เป็นแม่พิมพ์แก้วได้ หลังจากใช้กราไฟต์แล้ว โลหะเหล็กจะได้รับการหล่อด้วยขนาดที่แม่นยำและอัตราการสำเร็จผิวที่สูง สามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องแปรรูปหรือแปรรูปเพียงเล็กน้อย ประหยัดโลหะได้มาก การผลิตซีเมนต์คาร์ไบด์และกระบวนการโลหะผงอื่นๆ มักใช้วัสดุกราไฟท์เพื่อทำเรือพอร์ซเลนสำหรับแม่พิมพ์อัดและการเผาผนึก ถ้วยใส่ตัวอย่างสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิกอนผลึกเดี่ยว ถังกลั่นระดับภูมิภาค อุปกรณ์รองรับ เครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ ฯลฯ ล้วนทำจากกราไฟท์ที่มีความบริสุทธิ์สูง นอกจากนี้ กราไฟท์ยังสามารถใช้สำหรับแผงและฐานฉนวนกราไฟท์สำหรับการถลุงสูญญากาศ หลอดเตาที่ทนต่ออุณหภูมิสูง และส่วนประกอบอื่นๆ
อุตสาหกรรมพลังงานปรมาณูและการป้องกัน
กราไฟต์มีตัวหน่วงนิวตรอนที่ดีที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู เครื่องปฏิกรณ์ยูเรเนียม-กราไฟต์เป็นเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในปัจจุบัน วัสดุชะลอความเร็วในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้เป็นพลังงานควรมีจุดหลอมเหลว ความเสถียร และความต้านทานการกัดกร่อนสูง กราไฟท์สามารถตอบสนองความต้องการข้างต้นได้อย่างเต็มที่ ความบริสุทธิ์ของกราไฟท์ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูนั้นสูงมาก และปริมาณสิ่งเจือปนไม่ควรเกินสิบ ppm โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปริมาณโบรอนควรน้อยกว่า 0.5 ppm ในอุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ กราไฟต์ยังใช้ทำหัวฉีดจรวดเชื้อเพลิงแข็ง กรวยจมูกขีปนาวุธ ชิ้นส่วนของอุปกรณ์การบินและอวกาศ วัสดุฉนวนความร้อน และวัสดุป้องกันรังสี
