Grafito: o ouro negro industrial cunha personalidade distintiva

O grafito natural é un mineral non-metálico composto por elementos de carbono. É o resultado dos efectos combinados da sedimentación e do metamorfismo durante o período da historia xeolóxica. O seu proceso de formación consta principalmente de dúas etapas: a etapa de acumulación de sedimentos ricos en carbono-e a etapa de mineralización metamórfica. O primeiro proporciona unha rica fonte de carbono para a formación de grafito, mentres que o segundo completa a transformación de carbono a grafito.

O grafito natural fórmase a partir de substancias carbonadas na natureza. As fontes de substancias de carbono pódense dividir principalmente en carbono orgánico e carbono inorgánico. Entre eles, domina o carbono orgánico, procedente principalmente de plantas de algas e microfósiles do océano orixinal, así como doutros residuos que conteñen carbono-. O carbono inorgánico representa unha proporción relativamente menor, principalmente procedente de substancias inorgánicas que conteñen carbon-como as rochas carbonatadas formadas no medio mariño. O carbono orgánico orixinario e o carbono inorgánico acumúlanse e quedan enterrados no fondo do mar, formando capas sedimentarias ricas en substancias carbonadas.

Despois de ter suficientes reservas sedimentarias, os materiais carbonosos necesitan certas condicións de temperatura e presión para transformarse en grafito. Este proceso de transformación tamén se coñece como proceso de grafitización. Durante o movemento das placas tectónicas terrestres, as capas sedimentarias ricas en carbono-no océano desprázanse gradualmente cara á parte profunda da codia. O ambiente pechado con alta temperatura e presión permite que os materiais carbonosos dispersos formen de forma rápida e ordenada núcleos de grafito, e despois se agreguen e medren lentamente para formar cristais de grafito. Entre elas, a temperatura e a presión son as condicións primarias para a transformación de materiais carbonosos en grafito, e o tempo de crecemento do cristal é un factor importante no grao de grafitización.

O grafito natural está moi distribuído por todo o mundo e ten abundantes reservas. O "Resumo de produtos minerais de 2024" publicado polo Servizo Xeolóxico dos Estados Unidos mostra que a finais de 2022, as reservas mundialmente probadas de grafito natural eran de aproximadamente 280 millóns de toneladas. As reservas de China foron de preto de 810 millóns de toneladas, o que supón aproximadamente unha cuarta parte do total mundial. A produción mundial de grafito en 2023 foi de aproximadamente 1,6 millóns de toneladas, e a produción de China foi duns 1,23 millóns de toneladas, o que representa aproximadamente o 77% da produción total mundial, o que converte a China no principal produtor mundial de grafito.

O grafito natural é de cor negra azabache e textura esvaradía. Segundo as diferenzas na súa forma cristalina, pódese dividir en grafito cristalino e grafito amorfo.

O grafito cristalino ten unha boa forma de cristal e os cristais pódense ver a simple vista. Pódese clasificar ademais en grafito en escamas e grafito en bloque. Cando as capas individuais de grafito se apilan ordenadamente, forman-escamas- de peixe como o grafito en escamas. Se a disposición é desordenada, formarase grafito de bloque denso.

Os cristais de grafito criptocristalino son extremadamente pequenos e semellan substancias-semellantes ao chan. As súas formas de cristal só se poden observar claramente coa axuda dun microscopio electrónico, polo que tamén se lles chama grafito-como o solo.

A forma cristalina do grafito natural está moi relacionada co seu valor industrial. En xeral, canto mellor sexa o grao de cristalización, maiores serán as características de calidade. Polo tanto, o grafito en escamas adoita ter propiedades e valor de aplicación superiores en comparación con outros tipos de grafito.

Segundo a clasificación dos minerais segundo a súa forma cristalina, os depósitos de grafito pódense dividir en tres tipos: tipo metamórfico rexional, tipo metamórfico de contacto e tipo hidrotermal magmático, en función do fondo xeolóxico e das condicións durante a formación do grafito.

Os depósitos de grafito metamórfico rexionais fórmanse na súa maioría polo metamorfismo rexional dos antigos estratos sedimentarios que conteñen carbon-debido a movementos tectónicos. Adoitan producir grafito en escamas de gran-tamaño e-calidade. Aínda que a ley do mineral é relativamente baixa, estes xacementos teñen unha gran escala e o valor industrial é o máis elevado.

O depósito de grafito metamórfico de contacto fórmase cando o magma se introduce nos estratos-carbóns e o carbono da capa de carbón sofre metamorfismo. Tamén se coñece como grafito-con carbón. O grao de cristalización do grafito é relativamente baixo, presentándose como microcristalino ou criptocristalino. A ley do mineral é relativamente alta, chegando ao 60% ao 90%.

Os depósitos de grafito hidrotermal de magma fórmanse polo arrefriamento e a cristalización de fluídos magmáticos que conteñen carbon-. Xeralmente son de pequena escala, con corpos minerais irregulares, variacións significativas no grao de cristalización do grafito e a maioría son de grafito en escamas medias a finas. A calidade do mineral é relativamente baixa.

A estrutura única do grafito natural dálle unha variedade de excelentes propiedades e tamén amplía significativamente o seu ámbito de aplicación no ámbito industrial.

Textura suave:O grafito posúe unha excelente -resistencia ás altas temperaturas. O seu punto de fusión é próximo aos 4.000 graos e o seu punto de ebulición alcanza os 4.250 graos. O grafito é un cristal atómico, e os enlaces simples covalentes entre os átomos de carbono son enlaces químicos moi fortes que requiren unha cantidade extremadamente alta de enerxía para romperse. Polo tanto, o punto de fusión do grafito é moi alto e experimenta unha perda de peso mínima incluso a temperaturas extremadamente altas. Así, en sectores industriais como a metalurxia e a fundición, o grafito pódese usar para producir ladrillos refractarios de magnesio-carbono e crisols de grafito resistentes-altas{11}}temperaturas.

Resistente a produtos químicos:O grafito posúe excelentes propiedades anticorrosión-. Pode soportar a erosión de varios ácidos fortes, bases fortes e solucións orgánicas. Ademais, o grafito ten unha "afinidade" extremadamente baixa para a maioría das solucións químicas, e a súa superficie non é propensa a escalar. Pódese utilizar na industria química para fabricar dispositivos resistentes á corrosión-de pureza elevada-, como conducións químicas, tanques de reacción, torres de combustión, etc.

Boa lubricidade:O grafito é un lubricante sólido cunha longa historia de uso. A súa estrutura en capas que é fácil de deslizar confírelle excelentes propiedades de lubricación. Despois de adsorber gases e vapor de auga no aire, a distancia entre as capas de grafito aumenta, facilitando o deslizamento e mellorando aínda máis o seu rendemento de lubricación. Polo tanto, en industrias como a fabricación mecánica, o grafito pódese usar como lubricante sólido para axudar a eliminar moldes das pezas de fundición, ou pode combinarse con outros metais para facer rodamentos lubricantes libres de aceite-e outros materiais de fricción. Tamén é un lubricante de uso habitual na vida diaria para resolver o problema de oxidación dos núcleos de bloqueo.

Condutividade eléctrica:O grafito é un material condutor non-metálico de uso habitual, que está relacionado coa estrutura da disposición electrónica dos átomos de carbono do grafito. Cada átomo de carbono ten 4 electróns na súa capa externa. Na estrutura en capas do grafito-como panal de mel, cada átomo de carbono utiliza 3 electróns para conectar cos outros 3 átomos de carbono ao seu redor para formar enlaces covalentes. Polo tanto, cada átomo de carbono terá un electrón libre extra para conducir a electricidade, o que fai que o grafito teña unha excelente condutividade. Así, o grafito úsase amplamente na industria eléctrica e úsase habitualmente como filamento de lámpadas de alta-intensidade, varillas de carbono, cepillos, etc., ou aplícase como electrodos en tubos de carbono de electrodos pequenos, electrodos positivos de rectificadores de mercurio, carbón de soldadura, accesorios de teléfono e outros compoñentes.

Ademais, as propiedades físicas e químicas estables do grafito determinan a súa idoneidade como retardante de reaccións químicas e un bo illante. Isto permitiu que estea amplamente utilizado en campos industriais-vanguardistas, como os materiais da industria nuclear e os compoñentes de equipos aeroespaciais. Nos reactores de cuarta xeración de-refrixerados por gas-de alta temperatura-que están en funcionamento comercial actualmente en China, úsase grafito estable como retardante dos reactores.

As diferenzas entre os dous tipos de "ouro negro industrial".

O grafito natural e o carbón son substancias compostas por elementos de carbono, e ambos son coñecidos como "ouro negro industrial". Non obstante, difiren significativamente en propiedades estruturais e causas de formación, e tamén teñen as súas propias vantaxes únicas en aplicacións industriais.

Desde unha perspectiva estrutural, o grafito natural e o carbón difiren significativamente. O grafito natural é un mineral puro composto por elementos de carbono, con átomos de carbono dispostos nunha estrutura de capas ordenada e unha estrutura cristalina uniforme. O carbón, pola súa banda, é unha mestura de varios elementos como carbono, hidróxeno e osíxeno. Os átomos de carbono combínanse con outros átomos para formar diferentes moléculas orgánicas, que se combinan aleatoriamente con compostos inorgánicos, dando como resultado unha estrutura complexa e desordenada. Polo tanto, as propiedades físicas e químicas do grafito son moito máis estables que as do carbón. O seu punto de ignición, punto de fusión e condutividade térmica son todos moi superiores aos do carbón. Esta é a razón pola que aínda que ambos conteñen unha gran cantidade de elementos de carbono, o carbón pódese usar como combustible mentres que o grafito non.

Desde a perspectiva das causas, aínda que tanto o grafito natural como o carbón son produtos da sedimentación e do metamorfismo de restos vexetais antigos, a formación do grafito require un metamorfismo de alta-temperatura e alta-presión na parte profunda da codia terrestre, onde o carbono pode formar cristais de grafito. O carbón só necesita sufrir sedimentación na parte pouco profunda da codia terrestre para formar lignito, e sufrir un baixo grao de metamorfismo para formar carbón bituminoso e antracita. Se a temperatura e a presión seguen aumentando, tamén se pode producir a transformación de carbón a grafito. Por exemplo, o grafito de tipo carbón metamórfico de contacto-formase cando a capa de antracita é invadida polo magma e sofre un metamorfismo a alta-temperatura.

Nas aplicacións industriais, o grafito natural é bastante diferente do carbón. O grafito natural úsase principalmente como materia prima industrial para fabricar pezas de maquinaria industrial e materiais a base de carbono-. O carbón, por outra banda, utilízase principalmente para a combustión para o abastecemento de enerxía e a extracción de compostos orgánicos, como na xeración de enerxía, na fabricación de aceiro e na produción de metanol, amoníaco bruto, etc.

A chegada da nova rolda da revolución industrial global trouxo novas oportunidades e desafíos para a investigación e aplicación do grafito. Co progreso tecnolóxico e a actualización industrial, a tecnoloxía avanzada de procesamento do grafito conseguiu avances continuamente, as propiedades do grafito desenvolvéronse e utilizáronse profundamente e a industria do grafito comezou a desenvolverse cara a campos de alta-tecnoloxía. Xurdiron unha serie de novos materiais de grafito, como o grafito flexible, o grafito esférico, o grafeno, etc.

O grafito flexible faise quentando e expandíndose rapidamente o grafito en escamas naturais mediante un procesamento químico especial. Debido ao seu proceso de fabricación de expansión, tamén se lle chama grafito expandido. O grafito flexible non só herda as excelentes propiedades do grafito natural senón que tamén amplía as súas propiedades de suavidade, resistencia e adsorción. Pode funcionar a altas temperaturas, altas presións ou condicións de radiación e pódese usar como material retardante de chama e de selado. Utilizando as súas características hidrófobas e oleófilas, pódese usar como adsorbente para tratar substancias a base de petróleo-, moitas veces utilizadas para tratar fugas de cru e augas residuais de xacementos petrolíferos; tamén pode eliminar substancias solubles no aceite, como pesticidas e algúns compoñentes nocivos orgánicos ou inorgánicos, ou utilizarse para eliminar substancias nocivas dos gases de escape industriais e dos vehículos.

O grafito esférico obtense mediante métodos mecánicos e físicos para esfericar o grafito natural en escamas. A forma esférica confírelle nunha excelente condutividade eléctrica, capacidade de carga e descarga e vida cíclica, polo que é un material de electrodo negativo relativamente ideal para baterías de iones de litio-. Nos últimos anos, o uso de baterías de-ións de litio en produtos electrónicos como ordenadores, comunicacións e entretemento creceu rapidamente. Coa rápida expansión da industria de vehículos eléctricos limpos e respectuosos co medio ambiente, a demanda de baterías de iones de litio de alto rendemento- aumentou continuamente, o que á súa vez impulsou a demanda e o desenvolvemento de grafito esférico.

Entre todos os novos tipos de materiais de grafito dispoñibles actualmente, o grafeno é, sen dúbida, o "cabalo escuro" dos materiais, desencadeando unha nova onda de aplicacións para o grafito e representando verdadeiramente un novo tipo de forza produtiva.

O grafeno é un material parecido a unha única-folla- formada por átomos de carbono, tamén coñecido como grafito monocapa. A pesar do seu grosor extremadamente fino, posúe unha resistencia extremadamente alta, xunto cunha excelente condutividade eléctrica, condutividade térmica e maleabilidade, polo que é moi valorado en numerosos campos como a física, a química, a bioloxía e a enerxía. Ao aproveitar as propiedades superiores do grafeno, pódense producir produtos industriais e electrónicos avanzados, como revestimentos anticorrosivos compostos de grafeno, materiais de película de disipación de calor, dispositivos de visualización flexibles e sensores de detección. No futuro, o grafeno terá amplas perspectivas en áreas como a biomedicina, a óptica, a electrónica e o medio ambiente, e espérase que supoña unha revolución disruptiva no campo dos semicondutores, converténdose no material fundamental para os circuítos e superordenadores de próxima-xeración.

No contexto dunha continua investigación en-profunda sobre materiais de grafito, espérase que no futuro xurdan materiais máis innovadores e baseados en grafito-de alto rendemento-, que desempeñarán un papel importante na promoción do desenvolvemento industrial, na mellora da eficiencia enerxética e na protección do medio ambiente. A investigación actual indica que a calidade do grafito natural afecta directamente ao rendemento e ao alcance de aplicación dos novos materiais preparados a partir del. Canto mellor sexa a calidade e pureza do grafito natural, maiores serán as vantaxes na preparación de novos materiais. No futuro, os campos das novas enerxías, novos materiais, industria de defensa nacional e aeroespacial, que aplican materiais de grafito-vanguardistas, terán unha maior demanda de recursos de grafito de alta-calidade. Como a maior reserva e produtora de grafito natural do mundo, China debería seguir intensificando os esforzos de exploración de grafito, utilizar varios métodos para buscar de forma exhaustiva minerais profundos-e desenvolver recursos de alta-calidade, e apoiarse nel, reforzar o desenvolvemento integral e a utilización dos recursos de grafito, mellorar a investigación e as capacidades de innovación tecnolóxica, transformar as vantaxes emerxentes en campos de desenvolvemento de recursos grafitos. campos, potenciando continuamente o desenvolvemento de novas forzas produtivas.