مترجم: حبیب الله علیخانی
گرافیت ماده ای که آینده به آن وابسته است. این ماده کاربردهای گسترده ای در بخش های متعدد از جمله علوم با تکنولوژی بالا دارد. نام گرافیت از واژه ی یونانی گرافین (graphein) به معنای "نوشتن" گرفته شده است. در واقع از لحاظ سنتی، اصلی ترین کاربرد این ماده در تولید مداد بوده است. امروزه، بیشتر افراد با این ماده آشنایی دارند. این ماده از عنصر کربن تشکیل شده است. کربن دارای 5 آلوتروپ می باشد که گرافیت، یکی از این آلوتروپ هاست. این ماده در بین آلوتروپ های دیگر، از همه سبک تر است. سایر آلوتروپ های این ماده، عبارتند از الماس، کربن آمورف یا دوده، کربن سفید و فولرن. گرافیت مانند الماس، کریستالی است اما اشکال این دو ماده، متفاوت می باشد. در طبیعت، این ماده به صورت مینرالی یافت می شود. معمولا خلوص این ماده بالاست اما ناخالصی هایی از جمله سیلیس می تواند در آن وجود داشته باشد.
گرافیت عموماً در سنگ های شیستی یافت می شود اما در برخی مکان های دیگر، در کنار بازالت و نفلین سیانیت نیز یافت می شود. این اعتقاد وجود دارد که این ماده به دلیل متامورفی هایی تشکیل شده است که در زیر فشار اندک و بر روی مواد کربن دار، ایجاد می شود. این ماده با واکنش ترکیبات کربن با محلول های هیدروترمال یا سیال های مغناطیسی، تشکیل می شوند. در واقع این ماده به دلیل کریستالیزاسیون کربن مغناطیسی در محیط های کاهشی، ایجاد می شود.
گرافیت ممکن است در توده های بزرگ، رگه های یا به صورت رسوبات، تشکیل شود. اگر چه این ماده در تمام سه نوع سنگ آذرین، رسوبی و دگرگون وجود داشته باشد، سنگ های دگرگون مانند گنیس و شیست، جزء ذخایر مولد محسوب می شوند. معدن کاری محدود به نواحی از این سنگ ها می شود که دچار هوازدگی شده اند. سایر سنگ های میزبان دیگر عبارتند از: کوارتزیت، گرانیت، سنگ خارای زبر و شیل های کربناتی. یک نوع نادر از کریستال های گرافیت ایزومتری، به همراه آهن متاکریتیکی یافت می شود. این نوع گرافیت، کلیفتونیت (cliftonite) نامیده می شود. یک سری ضایعات فولادسازی که کیش (kish) نامیده می شود، منبع غنی از گرافیت با کیفیت بالاست و یک تکنولوژی برای بازیافت آن، در سال 1980، توسعه یافته است.
گرافیت به طور گسترده ای وجود دارد. مهم ترین کشورهای تولید کننده ی این ماده، چین، سریلانکا، ماداگاسکار، برزیل، آلمان، کنیا، کره ی جنوبی، مکزیک، نروژ و روسیه، می باشند. به هر حال، کیفیت گرافیت به طور قابل توجهی از مکانی به مکان دیگر، متغیر است.
انواع گرافیت
کریستال های گرافیت، به دو شکل می باشند. شکل هگزاگونال که آلفا نامیده می شود و شکل رمبوهدرال، که نوع بتا نامیده می شود. نوع آلفا متداول تر است و در حدود 70 % از گرافیت طبیعی از نوع آلفا می باشد. 30 % باقیمانده را گرافیت نوع بتا تشکیل می دهد. کریستال های هگزاگونال موجود در گرافیت طبیعی، دارای یک ساختاری لایه ای منحصربفرد است که از 6 تایی های کربنی تشکیل شده است. بنابراین، این ساختار از شبکه ای از هگزاگونال های تشکیل شده است. در برخی کتاب ها، گرافیت به نام گرافیت صفحه ای نیز معروف است.
به هر حال، در معدن کاری و صنایع مصرفی، گرافیت بر اساس میزان کریستالیزاسیون، طبقه بندی می شود. البته این طبقه بندی می تواند بر اساس شکل و اندازه ی دانه ها و حالت زمین شناسی ذخیره نیز انجام شود. سیستم طبقه بندی به صورت زیر است:
1. آمورف (در فرم میکروکریستالی یا کریستالی نهان)
2. کریستالی
3. فلسی شکل
4. پودری
5. رگه ای
a. توده ای
b. چیپسی شکل
c. ذره ای
در برخی مقالات، تنها سه نوع از گرافیت در طبقه بندی ها در نظر گرفته شده اند (آمورف، فلسی شکل و رگه ای). گرافیت آمورف در زیر میکروسکوپ، کریستال های میکرونی دارند. در واقع این نوع از گرافیت، از زغال سنگ تغییر شکل یافته، تشکیل شده است. این ماده دارای درخشش خاکی است و دارای مقادیر کربن پایین می باشد. این ماده در حدود 60 % کربن دارد. این نوع از گرافیت عمدتاً در مکزیک، چین و کره ی جنوبی، تولید می شود.
گرافیت کریستالی دارای میزان کربن متوسطی است. کریستال های گرافیت این ماده از صفحات با مولکول های کربن تشکیل شده است. در داخل این صفحات، مولکول ها به طور محکم به هم متصل شده اند اما بین صفحات، پیوندها ضعیف است. در نتیجه، صفحات می توانند به آسانی بر روی هم لغزش پیدا کنند. برخلاف درخشش خاکی گرافیت آمورف، تمام انواع گرافیت های کریستالی، دارای درخشش فلزی مانند هستند. در مورد گونه ی فلسی شکل گرافیت، فلس های منفرد دارای اندازه ای بین 150 تا 710 میکرون می باشد. به هر حال، در مورد این اشکال، نسبت طول به قطر، مهم می باشد. این نسبت برای مواد فلسی شکل، در حدود 20 به 1 است. چین و ماداگاسکار، شرکت های تولید کننده ی عمده ی گرافیت فلسی شکل هستند. گرافیت پودری مشابه همان گرافیت است با این تفاوت که اندازه ی ذرات در آن، کوچکتر از 150 میکرون است.
انواع رگه ای از گرافیت، عمدتاً در سریلانکا تولید می شود. در این طبقه بندی، گرافیت توده ای، چیپسی شکل و ذره ای قرار دارند که همانطور که گفته شد، عمدتاً از معادن سریلانکا تولید و به فروش می رسند.
تاریخچه
کشف گرافیت طبیعی، به سال 1564 باز می گردد. در یکی از روزهای این سال، مردم روستای Borrowdale در انگلیس، به صورت تصادفی ماده ی سیاه رنگی را در جای ریشه های کنده شده ی یک درخت، مشاهده کردند. تلاش برای سوزاندن این ماده بوسیله ی آنها، موفقیت آمیز نبود اما آنها فهمیدند که دست هایشان کثیف شده است. آنها این ماده را wad نامیدند و از آن به عنوان یک ابزار برای علامت زنی بر روی حیوانات، استفاده کردند. بنابراین، اولین استفاده از گرافیت به عنوان قلم، در این سال انجام شد. به تدریج استفاده از قطعات گرافیتی در سایر بخش های انگلیس نیز ادامه یافت و سپس استفاده از آن در آلمان، فرانسه و جاهای دیگر، گسترش یافت. برای سال های متمادی، انگلیس تنها منبع گرافیت توده ای بود. بعدها، روش تولید مداد از ذرات گرافیت نیز توسعه یافت. به هر حال، شواهد مربوط به حفاری و استخراج این ماده در سریلانکا، به دهه ی 1820 بر می گردد اما احتمالا این کار به زمان های قبل تر، باز می گردد.
در هند، گرافیت اولین بار در سال 1840 کشف شد. این کشف در ذخایر سطحی موجود در منطقه ی Kerala انجام شد. این منطقه در نزدیکی تامیل نادا، قرار دارد. اولین معدن کاری ثبت شده در این ناحیه، به سال 1901 باز می گردد. تولید متوسط سالانه ی این ماده در طی دوره ی سال های 1901 تا 1911، در حدود 3600 تن بوده است. در طی این دوره، معدن های کوچکی نیز در آندرا پاردیش شروع به کار کردند. البته میزان تولید آنها قابل توجه نبوده است. در سال 1912، معدن کاری گرافیت در هند، متوقف شد. بعد از جنگ جهانی اول، معدن کاری های اندکی در سال 1919 و در بخش اوریسا و راجستان، انجام شد. تنها از سال 1934 به بعد بود که تولید این ماده، نظم مشخصی پیدا کرد. متوسط تولید سالانه ی این ماده در بین سال های 1934 تا 1938، در حدود 500 تن بوده است. در طی سال های 1939 تا 1943، این میزان از تولید، به 900 تن رسیده است و از سال 1950 به بعد، این تولید به 1611 تن رسیده است. بعد از این دوره، نیز تولید در سال 1970 به میزان 11723 تن رسیده است. این میزان در سال 1980 به 54960 تن و در سال 1990، به 59140 تن افزایش یافته است. این روند افزایش تولید هنوز هم ادامه دارد. عیار گرافیت معدن کاری شده از هند، عموماً پایین است و در حدود 12 تا 13 % است. بنابراین، نیاز است که فرایندهای شستشو، تمیزکاری و سایر فرایندهای غنی سازی بر روی این گرافیت ها، انجام شود. از این معادن، هم گرافیت فلسی و هم آمورف، بدست می آید.
مزیت ها
گرافیت طبیعی در هنگام معدن کاری، حاوی ناخالصی هایی مانند سیلیس، آلومینا و اکسید عناصری همچون آهن، کلسیم و منیزیم است. گرافیت حداقل حاوی 40 % FC باشد، از لحاظ اقتصادی، قابل بهره برداری می باشد. به هر حال، گرافیت بدست آمده در بیشتر معادن، تنها حاوی 10 % FC است. این در حالی است که هنوز از آنها گرافیت برداشت می شود. برای اینکه استخراج این ماده منفعت داشته باشد، گرافیت ابتدا خردایش یافته و آسیاب می شود. گرافیت آسیاب شده، تحت فرایندهای مختلفی از جمله طبقه بندی با هوا، طبقه بندی دستی، فلوتاسیون، جداسازی الکترواستاتیک و جداسازی مغناطیسی، قرار می گیرد. از بین این فرایندها، فرایند فلوتاسیون، متداول تر است. متداول ترین عوامل فلوتاسیون مورد استفاده برای گرافیت، عبارتند از رو نفت سفید یا گازوئیل سبک. همچنین سیلیس به عنوان پراکنده ساز و سدیم هیدروکسید نیز به عنوان تنظیم کننده ی pH مورد استفاده قرار می گیرد. عموماً چندین دور فلوتاسیون انجام می شود تا بدین صورت، یک عیار مناسب از گرافیت، ایجاد شود. به طور نمونه وار، در هند از گرافیت ورودی با عیار 13-16 %، غلظت های بیش از 93 % تولید می شود. به هر حال، در برخی کشورها، می توان با اعمال فرایندهای مختلف دیگر، میزان این عیار را تا بالاتر از 99 % رساند.
معیار استفاده
اگر چه گرافیت یک مینرال غیر فلزی است، از جوانب خاصی، مانند فلزات عمل می کند و از این رو، برخی از ویژگی های آن مشابه فلزات است. این ماده، رنگ سیاه دارد و درخشش خاکی یا فلزی آن به نوع گرافیت وابسته است. اما ویژگی منحصربفرد این ماده که در بسیاری از کاربردها، این ماده را منحصربفرد می کند، عبارتند از:
1. ترکیب و ویژگی های شیمیایی: این ماده منبع غنی از کربن است. از لحاظ شیمیایی، این ماده خنثی می باشد و تنها با اکسیژن و برخی فلزات قلیایی و هالیدهای فلزی واکنش می دهد و منجر به تولید ترکیبات لایه ای می شود. این ماده در برابر اسید و خوردگی، مقاومت دارد.
2. خواص فیزیکی- مکانیکی: این ماده، ماده ای نرم است و سختی آن در مقیاس موهس، در حدود 2 است. این ماده دارای استحکام برشی، کششی و فشاری بالایی است. مدول الاستیک این ماده پایین است. این ماده خاصیت "بازگشت فنری" پایینی دارد. این ماده سبک می باشد و وزن مخصوصی برابر با 2.09 تا 2.23 دارد. این مورد به میزان تخلخل گرافیت و میزان ناخالصی وابسته می باشد. یک ویژگی نامتعارف گرافیت، این است که استحکام آن با افزایش دما، بیشتر می شود. در مقایسه با دمای اتاق، میزان استحکام کششی- فشاری آن در دمای 1600 درجه ی سانتگراد، 20 % افزایش می یابد. میزان استحکام کششی آن در دمای 2500 درجه، 50 تا 100 % بیشتر می شود.
3. خواص سطحی: این ماده موجب کثیف شدن دست می شود و موجب آغشته شدن سطوح فلزی می شود. در واقع این آغشته سازی سطحی، به دلیل خاصیت تورق فوق العاده ی این ماده است. این ماده موجب ایجاد خاصیت لغزش سطحی می شود.
4. ضریب اصطکاک: گرافیت دارای ضریب اصطکاک بسیار پایینی است. این مسئله به دلیل آرایش صفحه ای این ماده در سطح کریستال می باشد. در داخل این صفحات، مولکول ها، به طور نزدیکی به هم متصل شده اند اما این پیوند در میان لایه ها، بسیار ضعیف است. این مسئله اجازه می دهد که صفحات گرافیت بدون شکسته شدن مولکول ها، بر روی هم بلغزند.
5. خواص گرمایی: این ماده یکی از دیرگدازترین مواد شناخته شده می باشد. دمای ذوب این ماده در حدود 3650 درجه ی سانتیگراد می باشد. این ماده در دمای 4500 درجه ی سانتیگراد، تبخیر می شود. گرافیت، مشابه فلزات، رسانای خوب حرارت و الکتریسیته است و رسانایی آن در صورتی بالاتر است که این ماده به شکل فلسی مانند باشد. علت این مسئله، این است که این ماده مساحت سطحی بالاتری دارد. رسانایی در مورد الیاف گرافیتی تولید شده و نانوتیوب های تولیدی از این ماده، بالاست. علاوه بر این، این ماده مقاومت بالایی در برابر شوک های حرارتی دارد که علت آن، وجود خاصیت رسانایی بالا و مدول الاستیک پایین در این ماده می باشد. در حضور اکسیژن، گرافیت خالص در دمایی بین 620 تا 720 درجه ی سانتیگراد، می سوزد.
6. خواص الاستیک: در این مورد، گرافیت مشابه با فلز عمل می کند. این ماده در واقع می تواند رسانای الکتریسیته نیز باشد. به هر حال، بسته به جهت گیری صفحات، دو روش مختلف برای ایجاد رسانایی در این ماده، وجود دارد. رسانایی عمود بر صفحه پایین است اما این رسانایی با افزایش حرارت، افزایش می یابد. در این مورد، این ماده به صورت نیمه رسانا عمل می کند و تهیج گرمایی موجب می شود تا جاری شدن جریان، افزایش یابد. به عبارت دیگر، وقتی الکتریسته از میان گرافیت عبور می کند (به موازات صفحه)، رسانایی 6000 بار بیشتر از حالت عمود است. این رسانایی، با افزایش دما، کاهش می یابد (دقیقاً مشابه فلز). رسانایی الکتریکی به دلیل وجود ساختار لایه ای مولکول های کربن در این کریستال ها، می باشد. در داخل یک صفحه، مولکول ها، به طور محکمی به هم متصل هستند اما این پیوند در بین صفحات، ضعیف است. وقتی جریان الکتریکی از میان آن عبور می کند و الکترون ها، دوباره تهییج می یابند، الکترون های موجود در سطح صفحات، حرکت می کنند و جریان الکتریکی ایجاد می شود. رسانایی همچنین در صورتی افزایش می یابد که گرافیت به صورت فیبری یا نانوتیوبی، باشد.
7. پاسخ در برابر تابش رادیوالکتیویته: رادیواکتیویته در واقع فروپاشی خودبخودی عناصر سنگین و انتشار تابش های پر انرژی می باشد. این تابش ها، شامل سه ذره ی آلفا، بتا و گاماست. گرافیت می تواند مواد رادیواکتیو را جذب کند. به هر حال، این ماده نه نوترون جذب می کند و نه آن را منعکس می کند و نه سرعت آن را می گیرد.
8. قابلیت آلیاژسازی: گرافیت یکی از مواد غیر فلزی است که قابلیت وارد شدن به برخی از فلزات را دارا می باشد.
استفاده ها و ویژگی ها
تنوع محصولات بر پایه ی گرافیت به طور عملی نامحدود می باشد و هر روزه محصولات جدیدی در حال توسعه می باشند. ترکیب منحصربفرد خواص در گرافیت موجب می شود تا گرافیت برای بسیاری از کاربردهای صنعتی، مفید باشد. از آنجایی که میزان، اندازه و شکل ذرات کربن می تواند تغییر کند، این واضح است که تعداد محصولات و ترکیبات کربن نیز متنوع باشد. در صنایع، برخی از گریدهای خاص هستند و از این روف گستره ی محصولات و کاربردهای گرافیت، از سمت کاربردهای سنتی، به سمت کاربردهای پیچیده و با تکنولوژی بالا، حرکت کرده است. به هر حال، ویژگی های خاصی ممکن است برخی اوقات بوسیله ی همین گرافیت معمولی، تأمین شود. البته گرافیت های خاص نیز برای کاربردهای خاص، تولید و عرضه می شوند. استفاده های مهم از گرافیت طبیعی، به صورت زیر می باشد:
1. تولید مداد
2. دیرگدازها
• آجرهای گرافیتی
• آجرهای گرافیتی- منیزیایی
• آجرهای آلومینا- گرافیتی
• آجرهای زیرکونیا- گرافیتی
3. بوته
• بوته های با باند رسی
• بوته های با باند سیلیکونی
4. قطعات مورد استفاده در ریخته گری
5. قالب های گرافیتی ایزواستاتیک
6. لنت ترمز
7. بلبرینگ
8. برنز متخلخل
9. باتری ها
• سلول خشک
• باتری های قلیایی
10. بوش های کربنی مورد استفاده در موتورهای الکتریکی
11. مواد روانساز
12. گریس های کربن دار
13. محصولات گرافیتی زینتر شده
14. رنگ ها
15. گرافیت های منبسط شده یا انعطاف پذیر
16. گرافیت کلوئیدی
17. چسب های گرافیتی
18. پیل سوختی اسید فسفریکی
19. گرافن
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
گرافیت عموماً در سنگ های شیستی یافت می شود اما در برخی مکان های دیگر، در کنار بازالت و نفلین سیانیت نیز یافت می شود. این اعتقاد وجود دارد که این ماده به دلیل متامورفی هایی تشکیل شده است که در زیر فشار اندک و بر روی مواد کربن دار، ایجاد می شود. این ماده با واکنش ترکیبات کربن با محلول های هیدروترمال یا سیال های مغناطیسی، تشکیل می شوند. در واقع این ماده به دلیل کریستالیزاسیون کربن مغناطیسی در محیط های کاهشی، ایجاد می شود.
گرافیت ممکن است در توده های بزرگ، رگه های یا به صورت رسوبات، تشکیل شود. اگر چه این ماده در تمام سه نوع سنگ آذرین، رسوبی و دگرگون وجود داشته باشد، سنگ های دگرگون مانند گنیس و شیست، جزء ذخایر مولد محسوب می شوند. معدن کاری محدود به نواحی از این سنگ ها می شود که دچار هوازدگی شده اند. سایر سنگ های میزبان دیگر عبارتند از: کوارتزیت، گرانیت، سنگ خارای زبر و شیل های کربناتی. یک نوع نادر از کریستال های گرافیت ایزومتری، به همراه آهن متاکریتیکی یافت می شود. این نوع گرافیت، کلیفتونیت (cliftonite) نامیده می شود. یک سری ضایعات فولادسازی که کیش (kish) نامیده می شود، منبع غنی از گرافیت با کیفیت بالاست و یک تکنولوژی برای بازیافت آن، در سال 1980، توسعه یافته است.
گرافیت به طور گسترده ای وجود دارد. مهم ترین کشورهای تولید کننده ی این ماده، چین، سریلانکا، ماداگاسکار، برزیل، آلمان، کنیا، کره ی جنوبی، مکزیک، نروژ و روسیه، می باشند. به هر حال، کیفیت گرافیت به طور قابل توجهی از مکانی به مکان دیگر، متغیر است.
انواع گرافیت
کریستال های گرافیت، به دو شکل می باشند. شکل هگزاگونال که آلفا نامیده می شود و شکل رمبوهدرال، که نوع بتا نامیده می شود. نوع آلفا متداول تر است و در حدود 70 % از گرافیت طبیعی از نوع آلفا می باشد. 30 % باقیمانده را گرافیت نوع بتا تشکیل می دهد. کریستال های هگزاگونال موجود در گرافیت طبیعی، دارای یک ساختاری لایه ای منحصربفرد است که از 6 تایی های کربنی تشکیل شده است. بنابراین، این ساختار از شبکه ای از هگزاگونال های تشکیل شده است. در برخی کتاب ها، گرافیت به نام گرافیت صفحه ای نیز معروف است.
به هر حال، در معدن کاری و صنایع مصرفی، گرافیت بر اساس میزان کریستالیزاسیون، طبقه بندی می شود. البته این طبقه بندی می تواند بر اساس شکل و اندازه ی دانه ها و حالت زمین شناسی ذخیره نیز انجام شود. سیستم طبقه بندی به صورت زیر است:
1. آمورف (در فرم میکروکریستالی یا کریستالی نهان)
2. کریستالی
3. فلسی شکل
4. پودری
5. رگه ای
a. توده ای
b. چیپسی شکل
c. ذره ای
در برخی مقالات، تنها سه نوع از گرافیت در طبقه بندی ها در نظر گرفته شده اند (آمورف، فلسی شکل و رگه ای). گرافیت آمورف در زیر میکروسکوپ، کریستال های میکرونی دارند. در واقع این نوع از گرافیت، از زغال سنگ تغییر شکل یافته، تشکیل شده است. این ماده دارای درخشش خاکی است و دارای مقادیر کربن پایین می باشد. این ماده در حدود 60 % کربن دارد. این نوع از گرافیت عمدتاً در مکزیک، چین و کره ی جنوبی، تولید می شود.
گرافیت کریستالی دارای میزان کربن متوسطی است. کریستال های گرافیت این ماده از صفحات با مولکول های کربن تشکیل شده است. در داخل این صفحات، مولکول ها به طور محکم به هم متصل شده اند اما بین صفحات، پیوندها ضعیف است. در نتیجه، صفحات می توانند به آسانی بر روی هم لغزش پیدا کنند. برخلاف درخشش خاکی گرافیت آمورف، تمام انواع گرافیت های کریستالی، دارای درخشش فلزی مانند هستند. در مورد گونه ی فلسی شکل گرافیت، فلس های منفرد دارای اندازه ای بین 150 تا 710 میکرون می باشد. به هر حال، در مورد این اشکال، نسبت طول به قطر، مهم می باشد. این نسبت برای مواد فلسی شکل، در حدود 20 به 1 است. چین و ماداگاسکار، شرکت های تولید کننده ی عمده ی گرافیت فلسی شکل هستند. گرافیت پودری مشابه همان گرافیت است با این تفاوت که اندازه ی ذرات در آن، کوچکتر از 150 میکرون است.
انواع رگه ای از گرافیت، عمدتاً در سریلانکا تولید می شود. در این طبقه بندی، گرافیت توده ای، چیپسی شکل و ذره ای قرار دارند که همانطور که گفته شد، عمدتاً از معادن سریلانکا تولید و به فروش می رسند.
تاریخچه
کشف گرافیت طبیعی، به سال 1564 باز می گردد. در یکی از روزهای این سال، مردم روستای Borrowdale در انگلیس، به صورت تصادفی ماده ی سیاه رنگی را در جای ریشه های کنده شده ی یک درخت، مشاهده کردند. تلاش برای سوزاندن این ماده بوسیله ی آنها، موفقیت آمیز نبود اما آنها فهمیدند که دست هایشان کثیف شده است. آنها این ماده را wad نامیدند و از آن به عنوان یک ابزار برای علامت زنی بر روی حیوانات، استفاده کردند. بنابراین، اولین استفاده از گرافیت به عنوان قلم، در این سال انجام شد. به تدریج استفاده از قطعات گرافیتی در سایر بخش های انگلیس نیز ادامه یافت و سپس استفاده از آن در آلمان، فرانسه و جاهای دیگر، گسترش یافت. برای سال های متمادی، انگلیس تنها منبع گرافیت توده ای بود. بعدها، روش تولید مداد از ذرات گرافیت نیز توسعه یافت. به هر حال، شواهد مربوط به حفاری و استخراج این ماده در سریلانکا، به دهه ی 1820 بر می گردد اما احتمالا این کار به زمان های قبل تر، باز می گردد.
در هند، گرافیت اولین بار در سال 1840 کشف شد. این کشف در ذخایر سطحی موجود در منطقه ی Kerala انجام شد. این منطقه در نزدیکی تامیل نادا، قرار دارد. اولین معدن کاری ثبت شده در این ناحیه، به سال 1901 باز می گردد. تولید متوسط سالانه ی این ماده در طی دوره ی سال های 1901 تا 1911، در حدود 3600 تن بوده است. در طی این دوره، معدن های کوچکی نیز در آندرا پاردیش شروع به کار کردند. البته میزان تولید آنها قابل توجه نبوده است. در سال 1912، معدن کاری گرافیت در هند، متوقف شد. بعد از جنگ جهانی اول، معدن کاری های اندکی در سال 1919 و در بخش اوریسا و راجستان، انجام شد. تنها از سال 1934 به بعد بود که تولید این ماده، نظم مشخصی پیدا کرد. متوسط تولید سالانه ی این ماده در بین سال های 1934 تا 1938، در حدود 500 تن بوده است. در طی سال های 1939 تا 1943، این میزان از تولید، به 900 تن رسیده است و از سال 1950 به بعد، این تولید به 1611 تن رسیده است. بعد از این دوره، نیز تولید در سال 1970 به میزان 11723 تن رسیده است. این میزان در سال 1980 به 54960 تن و در سال 1990، به 59140 تن افزایش یافته است. این روند افزایش تولید هنوز هم ادامه دارد. عیار گرافیت معدن کاری شده از هند، عموماً پایین است و در حدود 12 تا 13 % است. بنابراین، نیاز است که فرایندهای شستشو، تمیزکاری و سایر فرایندهای غنی سازی بر روی این گرافیت ها، انجام شود. از این معادن، هم گرافیت فلسی و هم آمورف، بدست می آید.
مزیت ها
گرافیت طبیعی در هنگام معدن کاری، حاوی ناخالصی هایی مانند سیلیس، آلومینا و اکسید عناصری همچون آهن، کلسیم و منیزیم است. گرافیت حداقل حاوی 40 % FC باشد، از لحاظ اقتصادی، قابل بهره برداری می باشد. به هر حال، گرافیت بدست آمده در بیشتر معادن، تنها حاوی 10 % FC است. این در حالی است که هنوز از آنها گرافیت برداشت می شود. برای اینکه استخراج این ماده منفعت داشته باشد، گرافیت ابتدا خردایش یافته و آسیاب می شود. گرافیت آسیاب شده، تحت فرایندهای مختلفی از جمله طبقه بندی با هوا، طبقه بندی دستی، فلوتاسیون، جداسازی الکترواستاتیک و جداسازی مغناطیسی، قرار می گیرد. از بین این فرایندها، فرایند فلوتاسیون، متداول تر است. متداول ترین عوامل فلوتاسیون مورد استفاده برای گرافیت، عبارتند از رو نفت سفید یا گازوئیل سبک. همچنین سیلیس به عنوان پراکنده ساز و سدیم هیدروکسید نیز به عنوان تنظیم کننده ی pH مورد استفاده قرار می گیرد. عموماً چندین دور فلوتاسیون انجام می شود تا بدین صورت، یک عیار مناسب از گرافیت، ایجاد شود. به طور نمونه وار، در هند از گرافیت ورودی با عیار 13-16 %، غلظت های بیش از 93 % تولید می شود. به هر حال، در برخی کشورها، می توان با اعمال فرایندهای مختلف دیگر، میزان این عیار را تا بالاتر از 99 % رساند.
معیار استفاده
اگر چه گرافیت یک مینرال غیر فلزی است، از جوانب خاصی، مانند فلزات عمل می کند و از این رو، برخی از ویژگی های آن مشابه فلزات است. این ماده، رنگ سیاه دارد و درخشش خاکی یا فلزی آن به نوع گرافیت وابسته است. اما ویژگی منحصربفرد این ماده که در بسیاری از کاربردها، این ماده را منحصربفرد می کند، عبارتند از:
1. ترکیب و ویژگی های شیمیایی: این ماده منبع غنی از کربن است. از لحاظ شیمیایی، این ماده خنثی می باشد و تنها با اکسیژن و برخی فلزات قلیایی و هالیدهای فلزی واکنش می دهد و منجر به تولید ترکیبات لایه ای می شود. این ماده در برابر اسید و خوردگی، مقاومت دارد.
2. خواص فیزیکی- مکانیکی: این ماده، ماده ای نرم است و سختی آن در مقیاس موهس، در حدود 2 است. این ماده دارای استحکام برشی، کششی و فشاری بالایی است. مدول الاستیک این ماده پایین است. این ماده خاصیت "بازگشت فنری" پایینی دارد. این ماده سبک می باشد و وزن مخصوصی برابر با 2.09 تا 2.23 دارد. این مورد به میزان تخلخل گرافیت و میزان ناخالصی وابسته می باشد. یک ویژگی نامتعارف گرافیت، این است که استحکام آن با افزایش دما، بیشتر می شود. در مقایسه با دمای اتاق، میزان استحکام کششی- فشاری آن در دمای 1600 درجه ی سانتگراد، 20 % افزایش می یابد. میزان استحکام کششی آن در دمای 2500 درجه، 50 تا 100 % بیشتر می شود.
3. خواص سطحی: این ماده موجب کثیف شدن دست می شود و موجب آغشته شدن سطوح فلزی می شود. در واقع این آغشته سازی سطحی، به دلیل خاصیت تورق فوق العاده ی این ماده است. این ماده موجب ایجاد خاصیت لغزش سطحی می شود.
4. ضریب اصطکاک: گرافیت دارای ضریب اصطکاک بسیار پایینی است. این مسئله به دلیل آرایش صفحه ای این ماده در سطح کریستال می باشد. در داخل این صفحات، مولکول ها، به طور نزدیکی به هم متصل شده اند اما این پیوند در میان لایه ها، بسیار ضعیف است. این مسئله اجازه می دهد که صفحات گرافیت بدون شکسته شدن مولکول ها، بر روی هم بلغزند.
5. خواص گرمایی: این ماده یکی از دیرگدازترین مواد شناخته شده می باشد. دمای ذوب این ماده در حدود 3650 درجه ی سانتیگراد می باشد. این ماده در دمای 4500 درجه ی سانتیگراد، تبخیر می شود. گرافیت، مشابه فلزات، رسانای خوب حرارت و الکتریسیته است و رسانایی آن در صورتی بالاتر است که این ماده به شکل فلسی مانند باشد. علت این مسئله، این است که این ماده مساحت سطحی بالاتری دارد. رسانایی در مورد الیاف گرافیتی تولید شده و نانوتیوب های تولیدی از این ماده، بالاست. علاوه بر این، این ماده مقاومت بالایی در برابر شوک های حرارتی دارد که علت آن، وجود خاصیت رسانایی بالا و مدول الاستیک پایین در این ماده می باشد. در حضور اکسیژن، گرافیت خالص در دمایی بین 620 تا 720 درجه ی سانتیگراد، می سوزد.
6. خواص الاستیک: در این مورد، گرافیت مشابه با فلز عمل می کند. این ماده در واقع می تواند رسانای الکتریسیته نیز باشد. به هر حال، بسته به جهت گیری صفحات، دو روش مختلف برای ایجاد رسانایی در این ماده، وجود دارد. رسانایی عمود بر صفحه پایین است اما این رسانایی با افزایش حرارت، افزایش می یابد. در این مورد، این ماده به صورت نیمه رسانا عمل می کند و تهیج گرمایی موجب می شود تا جاری شدن جریان، افزایش یابد. به عبارت دیگر، وقتی الکتریسته از میان گرافیت عبور می کند (به موازات صفحه)، رسانایی 6000 بار بیشتر از حالت عمود است. این رسانایی، با افزایش دما، کاهش می یابد (دقیقاً مشابه فلز). رسانایی الکتریکی به دلیل وجود ساختار لایه ای مولکول های کربن در این کریستال ها، می باشد. در داخل یک صفحه، مولکول ها، به طور محکمی به هم متصل هستند اما این پیوند در بین صفحات، ضعیف است. وقتی جریان الکتریکی از میان آن عبور می کند و الکترون ها، دوباره تهییج می یابند، الکترون های موجود در سطح صفحات، حرکت می کنند و جریان الکتریکی ایجاد می شود. رسانایی همچنین در صورتی افزایش می یابد که گرافیت به صورت فیبری یا نانوتیوبی، باشد.
7. پاسخ در برابر تابش رادیوالکتیویته: رادیواکتیویته در واقع فروپاشی خودبخودی عناصر سنگین و انتشار تابش های پر انرژی می باشد. این تابش ها، شامل سه ذره ی آلفا، بتا و گاماست. گرافیت می تواند مواد رادیواکتیو را جذب کند. به هر حال، این ماده نه نوترون جذب می کند و نه آن را منعکس می کند و نه سرعت آن را می گیرد.
8. قابلیت آلیاژسازی: گرافیت یکی از مواد غیر فلزی است که قابلیت وارد شدن به برخی از فلزات را دارا می باشد.
استفاده ها و ویژگی ها
تنوع محصولات بر پایه ی گرافیت به طور عملی نامحدود می باشد و هر روزه محصولات جدیدی در حال توسعه می باشند. ترکیب منحصربفرد خواص در گرافیت موجب می شود تا گرافیت برای بسیاری از کاربردهای صنعتی، مفید باشد. از آنجایی که میزان، اندازه و شکل ذرات کربن می تواند تغییر کند، این واضح است که تعداد محصولات و ترکیبات کربن نیز متنوع باشد. در صنایع، برخی از گریدهای خاص هستند و از این روف گستره ی محصولات و کاربردهای گرافیت، از سمت کاربردهای سنتی، به سمت کاربردهای پیچیده و با تکنولوژی بالا، حرکت کرده است. به هر حال، ویژگی های خاصی ممکن است برخی اوقات بوسیله ی همین گرافیت معمولی، تأمین شود. البته گرافیت های خاص نیز برای کاربردهای خاص، تولید و عرضه می شوند. استفاده های مهم از گرافیت طبیعی، به صورت زیر می باشد:
1. تولید مداد
2. دیرگدازها
• آجرهای گرافیتی
• آجرهای گرافیتی- منیزیایی
• آجرهای آلومینا- گرافیتی
• آجرهای زیرکونیا- گرافیتی
3. بوته
• بوته های با باند رسی
• بوته های با باند سیلیکونی
4. قطعات مورد استفاده در ریخته گری
5. قالب های گرافیتی ایزواستاتیک
6. لنت ترمز
7. بلبرینگ
8. برنز متخلخل
9. باتری ها
• سلول خشک
• باتری های قلیایی
10. بوش های کربنی مورد استفاده در موتورهای الکتریکی
11. مواد روانساز
12. گریس های کربن دار
13. محصولات گرافیتی زینتر شده
14. رنگ ها
15. گرافیت های منبسط شده یا انعطاف پذیر
16. گرافیت کلوئیدی
17. چسب های گرافیتی
18. پیل سوختی اسید فسفریکی
19. گرافن
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
