گرافیت (4)

گرافیت کلوئیدی

این سوسپانسیون ها، حاوی گرافیت با خلوص 99.9 % می باشد. اندازه ی این گرافیت ها، در حد 0.7 تا 0.8 میکرون می باشد. محیط سوسپانسیون مورد استفاده، آب یا الکل می باشد. معمولاً از یک ماده ی پلیمری، به عنوان بایندر، استفاده می شود. این ماده یک محصول جدید از گرافیت است که می توان از آن در تولید پوشش های مورد استفاده در ابزارهای حساس استفاده کرد و بدین صورت، میزان القای الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش داد.

چسب های گرافیتی

چسب یک ماده ی آلی یا غیر آلی است که قادر است تا مواد مختلف را به هم بچسباند. چسب های گرافیت دار، به عنوان چسب در کاربردهایی مورد استفاده قرار می گیرند که تحت شرایط دمایی بالاتر از 3000 درجه ی سانتیگراد، قرار می گیرند. گرافیت آمورف، در این کاربرد، ترجیح داده می شود. علت این مسئله این است که دانه های فلسی شکل گرافیت، دارای مساحت سطح بیشتری هستند و سطوح لیز آنها موجب می شود تا سطوح به خوبی به هم متصل نشوند. در صورت استفاده از گرافیت فلسی شکل، ترک هایی در طول مرزدانه ها، ایجاد می شود. معیارهای اصلی استفاده از این ماده، در واقع استحکام مناسب، دمای ذوب بالا و خنثی بودن شیمیایی می باشد. دمای عملیاتی استفاده از این چسب، کمتر از 300 درجه ی سانیتگراد، می باشد. این چسب ها از گرافیت اولیه تولید می شوند. البته اگر دمای کاری این چسب ها، تا 600 درجه باشد، معمولا از گرافیت خالص با پیوند رزینی استفاده می شود که پیش از استفاده در دمای 2400 درجه ی سانتیگراد، پخت شده است. اگر دمای عملیاتی چسب بالاتر باشد، از الکترو- گرافیت استفاده می شود. از این چسب ها در صنعت کاغذ، صنایع شیمیایی و تولید خطوط انتقال نفت، استفاده می شود.

پیل سوختی اسید فسفریکی

این اعتقاد وجود دارد که پیل های سوختی، در نیمه ی اول قرن 21 ام، کاربردی شود. پیل سوختی وسیله ای است که از طریق اکسیداسیون غیر احتراقی، الکتریسیته تولید می کند. اصول ساخت این پیل ها، ابتدا بوسیله ی William Grove و در سال 1839 ارائه شده است. این فرد این فرضیه را مطرح نمود که اگر با اعمال الکتریسیته، آب به هیدروژن و اکسیژن تبدیل سود، بنابراین، با تبدیل هیدروژن و اکسیژن به آب، الکتریسیته تولید می شود. او توانست به صورت تجربی ثابت کند که این کار شدنی است. در سال 1889، Ludwig Mond و Charles Langer اولین مدل عملی این سیستم را ایجاد کرده و آن را پیل سوختی، نامیدند. این اعتقاد وجود دارد که این نوع از پیل ها، در ربع اول قرن 21، تجاری می شوند.
یک پیل سوختی، در اصل شامل 4 جزء اصلی است: یک آند (هیدروژن)، یک کاتد (اکسیژن)، الکترولیت و کاتالیست (معمولا از جنس نانوذرات یا پلاتین). کاتالیست موجب می شود تا یون های هیدروژن یونیزه شوند و به پروتون های مثبت و الکترون های منفی تبدیل می شوند. این الکترون به مدار خارجی می رود و وقتی در آند به هیدروژن می رسد، موجب یونیزه شدن آن می شود. بنابراین، یک جریان در داخل سیستم ایجاد می شود. در این میان، پرتون های باردار به صورت داخلی از میان الکترولیت عبور کرده و به آند یا یون های اکسیژن می رسند و آب تشکیل می دهند. این مسئله می تواند در آند یا کاتد رخ دهد. از آنجایی که سوخت هیدروژن و اکسیژن به صورت پیوسته وارد سلول می شود، این سلول هیچگاه از کار نمی افتد (برخلاف یک باتری معمولی). الکترولیت یک بخش کلیدی در این پیل می باشد و عملکرد آن، عبوردهی انتخابی یون های اکسیژن و یا پرتون های هیدروژنی می باشد. بسته به نوع ماده ی مورد استفاده به عنوان الکترولیت، 6 نوع پیل سوختی وجود دارد:
1) پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
2) پیل سوختی با غشاء تبادل پلیمری (PEMFC)
3) پیل سوختی قلیایی (AFC)
4) پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)
5) پیل سوختی مستقیم متان (DMFC)
6) پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
گرافیت دو در زمینه در تولید پیل های سوختی، کاربرد دارد:
a) پیل سوختی اسید فسفریک: دمای کاری در این نوع سلول ها، در گستره ی 150 تا 2000 درجه ی سانتیگراد می باشد. از این ماده در نیروگاه های برق، بیمارستان ها، هتل ها، مدارس، ساختمان های اداری و فرودگاه ها، استفاده می شود. گرافیت با پلی تترا فلئورو اتیلن و اتیلن پروپیلن مخلوط می شود و در تولید خمیری استفاده می شود که به عنوان ماده ی درزبند برای جلوگیری از نشت اسید فسفریک، استفاده می شود.
b) صفحات ارتباط دهنده: خروجی یک پیل سوختی، بسته به نوع آن، از چند کیلووات تا چند مگا وات، متغیر می باشد. برای استفاده های عملی، بسیاری از پیل های سوختی به صورت مجتمع، بر روی هم منتاژ می شوند. صفحات گرافیتی، موادی است که به عنوان عامل ارتباط دهنده میان پیل های سوختی، کاربرد دارد.

گرافن

موضوع گرافن، یکی از موضوعاتی است که در سال های قبل، ذهن محققین را به خود مشغول کرده بود. بعدها در سال 2007، این موضوع، به یکی از موضوعات تحقیقاتی مبدل شد. این ماده نازک ترین ماده ای است که تاکنون شناخته شده است و در واقع از گرافین طبیعی مشتق می شود. تئوری تولید آن شامل استفاده از ساختارهای لایه ای منحصربفرد از کریستال هگزاگونال گرافیت طبیعی و ایجاد پیوند ضعیف بین این لایه ها می باشد. هر یک از این لایه ها، شامل 6 اتم کربن می باشد. در داخل هر لایه، اتم ها به طور محکم با هم پیوند خورده اند اما بین لایه ها، پیوند ضعیف است. در آزمایشگاه، این امکان پذیر است که لایه های منفرد را بوسیله ی ایجاد خاصیت کشسان در کریستال های گرافیت طبیعی، جداسازی کرد. این لایه ها بر روی سطح سیلیکوان واقع شده اند. سپس این لایه ها، به شکل یک صفحه ی منفرد و بسیار نازک در می آیند. این صفحات بزرگ و بسیار نازک، گرافن، نامیده می شود. این لایه ها، بسیاری از خواص نانوتیوب های کربنی را دارای می باشد. در اوایل سال 2007، از این ماده تنها در ساخت ترانزیستور استفاده می شده است اما پتانسیل های استفاده از این ماده، بسیار بالاست.

سایر استفاده ها:

a) گل حفاری: این ماده به عنوان افزودنی و به منظور افزایش خاصیت روانسازی، گل، مورد استفاده قرار می گیرد.
b) مواد منفجره: این ماده به صورت پوشش بر روی دانه ها استفاده می شود و با استفاده از آن نرخ سوختن ذرات، کنترل می شود. در این حالت، علاوه بر مزیت گفته شده، میزان دود ایجاد شده، شانس انفجارهای تصادفی کاهش می یابد.
c) نوار مغناطیسی: این ماده به صورت پوشش بر روی نوارهای 8 تراکه پوشش داده می شود تا بدین صورت، میزان اصطکاک کاهش یابد.
d) تولید مواد لیزر: به دلیل رسانایی گرمایی بالا، گرافیت توانسته است در برخی از بخش های لیزرهایی کاربرد یابد که میزان جریان آنها کمتر از 20 آمپر است. به هر حال، گرافیت به دلیل وقوع پدیده ی کندوپاش در آن، با مشکلاتی روبروست.
e) کربن زدایی از فولاد: عموماً گرافیت مصنوعی به طور قابل توجهی در این کاربرد، استفاده می شود اما در برخی کشورها که منابع خوبی از گرافیت طبیعی یافت می شود، از گرافیت طبیعی برای این کاربرد، استفاده می شود.

گرافیت مصنوعی

در بسیاری از کاربردها، گرافیت با خلوص بسیار بالا مورد نیاز است. این نوع گرافیت بسیار گران قیمت است و اگر استفاده از آن ممکن نباشد، یک چنین گرافیتی، تولید می شود. 4 شکل از گرافیت مصنوعی، وجود دارد:
1. گرافیت سنتزی
2. گرافیت پیرولیتیکی
3. الیاف گرافیتی
4. فلرن و نانوتیوب های کربنی
5. کربن سفید
بیشتر این گرافیت ها، دارای کاربردهای خاص صنعتی هستند. این کاربردها، به صورت زیر می باشد:

گرافیت سنتزی

گرافیت خالص در به صورت تصادفی بوسیله ی Edward G. Acheson تولید شد. این فرد در حال انجام برخی آزمایشات بر روی سیلیکون کاربید یا کربوراندوم بود. او این ماده را تا دمای 4150 درجه حرارت داد. در این دما، سیلیکون تبخیر می شود و خارج می شود. او فهمید که ساختار کربن خالص باقیمانده، مانند گرافیت است. او این کار را در سال 1896 ثبت اختراع کرد و تولید تجاری این ماده در سال بعد شروع شد. بعدها، او فهمید که سایر مواد آلی نیز در هنگام حرارت دیدن در دمای 2500 تا 3200 درجه ی سانتیگراد، به کربن باقیمانده تبدیل می شوند. کک نفتی و کریستال های ناقص گرافیت، در بین این مواد قرار دارند. از سال 1918 تاکنون، این مواد، به عنوان مواد اولیه ی اصلی در تولید گرافیت مصنوعی، به شمار می آیند. این مواد به طور قابل توجه از کربن تشکیل شده اند.
برای تولید گرافیت مصنوعی، کک نفتی یا آنتراسی یا گرافیت آمورف طبیعی (60 % FC) کلسینه می شود. با قیر قطران زغال سنگ مخلوط می شود و سپس تا دمای 1650 درجه ی سانتیگراد، حرارت داده می شود. سپس این ماده بوسیله ی قالب یا اکستروژن به شکل مشخص در می آید. این قطعات در دمای 750 تا 1400 درجه ی سانتیگراد، پخت می شوند و اشکال پخت شده، به صورت بستر مانند چیده می شوند، با لایه های عایق کاری کننده ی SiC ، کک و ماسه، پوشیده می شوند و سپس تا دمای 2600 تا 3000 درجه ی سانتیگراد، حرارت دهی می شوند. این گرما از طریق اعمال جریان الکتریکی، ایجاد می شود. برای تولید گرافیت با خلوص بالا که میزان خاکستر آن کمتر از 20 ppm است، حرارت دهی الکتریکی در دمای 2500 درجه ی سانتیگراد و با کمک حمام خالص سازی گاز، انجام می شود.
در کاربردهای گرافیت طبیعی که در مقالات قبل در مورد آنها بحث شد، در جاهایی که گرافیت با خلوص بالا مورد نیاز است، گرافیت معمولاً خلوصی متوسط دارند اما در برخی کاربردها، نیاز به گرافیت مصنوعی با خلوص بسیار بالاست. در این کاربردها، استفاده از گرافیت طبیعی، مناسب نیست. کاربردهایی که در آن نیاز به گرافیت مصنوعی است، عبارتند از:
a) الکترودها: میله های گرافیتی می توانند به عنوان آند در گوره های قوس الکتریکی (EAF) مورد استفاده قرار گیرد و بدین وسیله، فولاد کربنی تولید می شود. البته این میله های گرافیتی، کاربردهای دیگری در تولید سدیم، منیزیم، کلرات ها و گاز کلر دارند.
میله های سنجش در واقع الکترودهای گرافیت پوشش داده شده با مس می باشند که موجب ایجاد سطح مسطح بر روی بخش های ریخته گری فولادی و آهنی می شوند. در واقع این میله ها، موجب ایجاد قوس الکتریکی می شوند و پرداخت سطحی به دلیل ایجاد قوس، انجام می شود.
لامپ قوس از اصول تخلیه ی قوس الکتریکی بهره مند می شود. تخلیه ی قوس در زمانی رخ می دهد که جریان الکتریکی قوی از میان دو الکترود در تماس با همدیگر، عبور می کند. سپس این الکترودها، اندکی از هم دور می شوند. یک چنین مقاومت قوی در نوک این اکترودها، موجب ایجاد دمایی در حدود 4000 درجه ی سانتیگراد می شود و موجب درخشش این الکترودها می شود. وقتی الکترودها، دوباره حرکت می کنند و به هم متصل می شوند. نور خاموش می شود. در لامپ های قوس، مکانیزم کنترل خاصی که در آن فنر وجود دارد، موجب می شود الکترود مثبت رنگ سفید ایجاد کند. یک چنین لامپ های قوسی ابتدا بوسیله ی پروژکتورهای دوربین عکاسی، مورد استفاده قرار گرفت.
اصول مشابه با تخلیه ی قوس در EAF ها مورد استفاده قرار می گیرد. در اینجا، حرارت شدید قوس، موجب ذوب فلز می شود.
b) تعدیل کننده در رآکتورهای هسته ای: یک رآکتور هسته ای، حاوی المان های سوختی است که در آن یک سری محفظه وجود دارد. در واقع سوخت در داخل این محفظه ها، جای می گیرد. عملکرد یک رآکتور در اصل، عبارتست از: 1) محافظت در برابر انتشار تشعشعات خطرناک، 2) جلوگیری از اتلاف حرارت ایجاد شده در داخل راکتور. راکتورها ممکن است از دو نوع باشند: 1) رآکتورهای گرمایی که از گرما و یا نوترون آهسته استفاده می کند. 2) رآکتورهای سریع که از نوترون های پر انرژی استفاده می کنند. در رآکتورهای گرمایی از تعدیل کننده برای کنترل سرعت نوترون ها، استفاده می شود. تعدیل کننده، تنها انرژی نوترون برخورد کننده را کاهش می دهد و نباید آن را جذب کند.
c) کربن زدایی از آهن و فولاد: فولاد ضرورتاً یک آلیاژ تصفیه شده از آهن و کربن است که میزان کربن آن به کمتر از حد مشخصی رسیده است. عموماً این حد در حدود 0.01 تا 1.7 % می باشد. جذب کل کربن، موجب می شود تا این ماده نرم شده و برای بسیار از کاربردها، مناسب نباشد. بنابراین، فولادسازی چیزی جز حذف کربن نیست. به عنوان یک نتیجه، فولاد، دارای استحکام و مقاومت بهتری است اما کاربردپذیری آن افت پیدا می کند. در واقع برخی اوقات، به آهن کربن اضافه می شود تا بدین صورت، فولاد تولید شود. افزودن کربن تازه در صورتی الزامی است که در فرایند EAF از قراضه ی آهن استفاده شده باشد. در ریخته گری فولاد، کربن برای تولید محصولات خاص نیز اضافه می شود. این افزودن کربن، ری – کربوریزاسیون نامیده می شود.
برای ری- کربوریزاسیون فولاد، یک ماده ی کربنی دارای حداقل 99 % کربن، مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا کل تکنولوژی فولاد سازی و تولید آهن، در مورد حذف مواد زائدی است که در مواد اولیه وجود دارند. از این رو، هیچ ناخالصی جدیدی، نباید در حین کربوریزاسیون، وارد فولاد شود. مناسب ترین ماده برای این کار، استفاده از کربن مصنوعی است زیرا خلوص آن بالاست و نرخ حل شدن آن در فولاد نیز بالاست.
در ریخته گری محصولات آهنی، گرافیت سنتزی با اندازه ی کوچکتر از 75 میکرون، مواد فرار کمتر از 2 % و خاکستر کمتر از 3 %، مورد نیاز است.
گرافیت پیرولیتیکی
این گرافیت یک گرافیت کریستالی با نظم بسیار بالاست که دارای صفحاتی با ضخامت 6 میلی متر می باشد. این نوع گرافیت را از طریق گازهای آلی پیرولیز شده و در دمای 1400 تا 2000 درجه، تولید می کنند. این نوع از گرافیت دارای درجه ی بالایی از آنیزوتروپی و رسانایی گرمایی بالاست. البته این ویژگی ها در جهت موازی با ضخامت، بهینه تر می باشد. این ماده در تولید مخروط های مورد استفاده در دهانه ی راکت ها، مورد استفاده قرار می گیرد. بعد از آنیل این ماده، میزان انعکاس پذیری آن بالا می رود و این ماده برای استفاده در مونوکروماتورهای اشعه ی X و نوترون های گرمایی، مناسب می شود.
الیاف گرافیتی
الیاف گرافیتی و کربنی، بوسیله ی کربونیزاسیون یک نخ پلیمری (مانند نایلون، پلی اکریلو نیتریل یا PAN و ...) تولید می شود. تمایز میان الیاف گرافیتی و الیاف کربنی، بسیار اندک است. برخی پیشنهاد داده اند که از آنجایی که این الیاف، دارای ویژگی کریستالی سه بعدی گرافیت نیستند، آنها را باید الیاف کربنی نامید. اما با توجه به گفته ی سایرین، اگر دمای کربونیزاسیون 2500 درجه یا بالاتر باشد، این ماده الیاف گرافیتی نامیده می شود اما اگر این دما زیر 2500 درجه باشد، این الیاف، الیاف کربنی هستند. عموماً تعریف قبلی متداول تر می باشد. به هر حال، هم الیاف گرافیتی و هم الیاف کربنی، انعطاف پذیری بالایی دارند، سبک هستند، از لحاظ شیمیایی خنثی هستند، رسانایی الگتریکی و گرمایی خوبی دارند و استحکام آنها بسیار بالاست. میزان موازی بودن میکرو کریستال های گرافیت نسبت به محور فیبر، بر میزان استحکام کششی این الیاف، مؤثر است. استحکام کششی مربوط به این الیاف، برابر با 500000 psi است. این استحکام می تواند به بیش از یک میلیون psi برسد. استفاده از الیاف گرافیتی به صورت زیر است:
1) نوار آب بندی: الیاف گرافیتی/ کربنی با مدول پایین می تواند به صورت طناب، بافته، ساختارهای نمد شکل و سایر ساختارها، بافته شود. یک چنین بخش هایی، برای استفاده به عنوان واشرهایی مناسب است که برای آب بندی مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع این ماده می تواند موجب آب بندی نفت، جریان های فوق گرم، حلال ها، اسیدها و مواد قلیایی در دمای بالا، مورد استفاده قرار گیرد. این نوارها، نسبت به خوردگی اسیدها و مواد قلیایی، مقاوم است. این نوع از نوارها، تا دمای 1750 درجه ی سانتیگراد می تواند کار کند و عایق گرمایی مؤثر می باشد و میزان ضریب اصطکاک آنها پایین است.
2) کاربردهای ساختاری: از این الیاف به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت های ساختاری و وسایل ورزشی، مورد استفاده قرار می گیرد. عمدتاً از پروکسی یا پلی آمید به عنوان زمینه در این کامپوزیت، استفاده می شود. این کامپوزیت ها را می توان در گستره ی دمایی 173 تا 343 درجه ی سانتیگراد، استفاده کرد.
3) شیشه های تقویت کننده با الیاف گرافیتی: این کامپوزیت ها، در سال 1972 اختراع شده اند. اما مشکلات مربوط به اکسیداسیون در طی تولید، منجر شد تا استفاده ی عملی از این کامپوزیت ها، محدود گردد.
فلرن و نانوتیوب های کربنی
فرن یکی از آلوتروپ های کربن است که در سال 1985 کشف شد. این ماده یکی از محصولات فرعی آزمایشات مربوط به باریکه ی مولکولی است. این فلرن ها، بوسیله ی فردی به نام Richard Buckminister Fuller جمع آوری شد و به همین دلیل، فلرن نامیده شد. بعدها، اشکال بیضوی و تیوبی شکل از کربن نیز شناسایی شد. فلرن ها، می تواند با عبور جریان الکتریکی قوی از میان دو الکترود گرافیتی، تولید شوند. در واقع بین این دو الکترود، قوس الکتریکی ایجاد می شود. در زمان خنک سازی، یک ماده ی دوده ای شکل در بین این الکترودها، تشکیل می شود و فلرن از این ماده جداسازی می شود. فلرن های تیوبی شکل، امروزه، نانوتیوب ها، نامیده می شوند.
نانو در واقع به معنای یک میلیاردیوم واحد می باشد و نانوتکنولوژی به معنای تکنولوژی است که در زمینه ی تولید موادی کار می کند که در واقع اندازه ای در حد یک میلیاردیوم متر دارند. این زمینه از تکنولوژی، بوسیله ی ابداع میکروسکوپ الکترونی تونلی- روبشی در سال 1981، شروع شد. در واقع این میکروسکوپ، توانایی تشخیص اتم های منفرد را دارد.
نانوتیوب های کربنی، مواد با انعطاف پذیری بالایی هستند و سختی و میزان استحکام آنها، بیشتر از الماس است. استحکام کششی این مواد 62.5 گیگاپاسکال است. یکی دیگر از ویژگی های این الیاف، سبکی و شفافیت آنها می باشد. این مواد رسانایی گرمایی و الکتریکی خوبی دارند.
تحقیقات زیادی بر روی نانوتیوب های کربنی و صفحات نانویی، متمرکز شده است. در سال 2005، صفحات نازک کاغذی، دارای قابلیت ایجاد سلول های سوختی هستند و می توان با استفاده از آنها، ماشین مسابقه ساخت. تلاش های بر روی کاهش هزینه ی تولید یک چنین صفحاتی، موجب می شود تا نوارهای تولید شده از نانوتیوب های کربنی، هم اکنون در آمریکا و ژاپن تولید شده و در مقیاس صنعتی، مورد استفاده قرار گیرند. از این مواد در هواپیماهای با کارایی بالا و ساختاری استفاده می شود. نانوتیوب های کربنی همچنین به صورت فیبر، بافته می شوند و در واقع استحکام کششی این الیاف 4 برابر ابریشم طبیعی است. این فیلمامنت ها، بیشترین تافنس را در میان الیاف تولید شده در دنیا را دارد.
کربن سفید
کربن سفید در واقع یکی از آلوتروپ های کربنی شفاف است که در سال 1969 کشف شده است. وقتی گرافیت در فشار پایین، تصعید شود، این ماده به صورت کریستال های شفاف بر روی لبه های صفحات کریستالهای گرافیتی، رسوب می کند. این ماده قابلیت تبدیل کردن یک باریکه ی نور به دو باریکه را دارا می باشد و بنابراین، دارای کاربردهای تجاری خوبی است.
منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee