Expliquer en détail la différence entre les matériaux en carbone et les matériaux en graphite

Expliquer en détail la différence entre les matériaux en carbone et les matériaux en graphite

Étant donné que les matériaux en carbone et en graphite présentent de nombreuses similitudes en termes d’apparence et de caractéristiques, de nombreuses personnes ne savent pas comment distinguer la relation entre les deux en réalité. Cet article fait une introduction détaillée.

Le carbone existe sous trois allotropes les plus courants : le carbone amorphe, le graphite et le diamant.

Structure moléculaire et apparence du diamant

Diamant

C'est un minéral composé de carbone. Le diamant est la substance la plus dure de la nature, connue sous le nom de « roi de la dureté » et de « roi des pierres précieuses ». L'angle du cristal de diamant est de 54 degrés 44 minutes et 8 secondes. Dans les années 1950, les États-Unis ont réussi à produire des diamants artificiels en utilisant du graphite comme matière première à haute température et pression. Aujourd'hui, les diamants artificiels sont largement utilisés dans la production et dans la vie.

Carbone amorphe

Désigne généralement le charbon de bois, le coke, le charbon d'os, le charbon de sucre, le charbon actif et le noir de carbone, etc. À l'exception du charbon d'os, qui contient environ 10 % de carbone , les autres composants principaux sont le carbone élémentaire. Le charbon est du carbone amorphe naturel qui contient des composés composés de carbone, d'hydrogène, d'azote, etc. Le carbone dit amorphe ne fait pas référence à la forme sous laquelle ces substances existent, mais à leur structure interne. En fait, leur structure interne n'est pas un véritable corps amorphe, mais un cristal avec une structure similaire au graphite, mais la structure en couches formée par le plan annulaire hexagonal des atomes de carbone est désordonnée et irrégulière, et la formation cristalline est défectueuse. Les particules sont petites et contiennent une petite quantité d'impuretés.

La majeure partie du carbone amorphe est une structure de couche graphitique dans laquelle les fragments moléculaires sont à peu près parallèles les uns aux autres et empilés de manière irrégulière, ce que l'on peut appeler une structure turbostratique. Les couches intermédiaires ou fragments sont reliés par des liaisons atomiques de carbone dans le mode de liaison tétraédrique de la structure en diamant. Lorsque la proportion d'atomes de carbone dans ce tétraèdre est grande, le carbone amorphe sera relativement dur, comme le coke et le carbone vitreux.

Structure moléculaire et aspect du carbone amorphe

Les produits carbonés couramment utilisés dans l'industrie font référence aux produits carbonés purifiés à partir de matières premières carbonées amorphes (telles que le charbon, le coke de pétrole, le coke de brai, etc.). Avec différentes matières premières et techniques de traitement, la proportion de structure cristalline de graphite contenue dans la structure cristalline de l'élément carbone de ces produits carbonés variera. D'une manière générale, plus les composants de la structure cristalline du graphite sont contenus, plus la pureté du carbone est élevée, plus les performances et le prix sont élevés.

Étant donné que la différence essentielle entre les matériaux carbonés et les matériaux graphite n'est pas grande, de nombreux produits carbonés sont également appelés «  graphite XX » . C'est aussi la source de la confusion entre les deux notions de vocabulaire graphite et carbone. Par exemple, les grosses électrodes couramment utilisées dans l'industrie sidérurgique sont appelées « électrodes en graphite » . En fait, ce sont des produits en carbone, et non des électrodes en graphite au sens propre du terme. En termes d'apparence, les produits à base de carbone courants sont de grande taille, comme les électrodes pour la métallurgie, les briques de revêtement (blocs de carbone) pour les fours de fusion, les radiateurs à charbon, etc.

Structure moléculaire et aspect du graphite

Graphite

C'est un allotrope de l'élément carbone. Chaque atome de carbone est entouré de trois autres atomes de carbone (disposés en plusieurs hexagones selon un motif en nid d'abeille) et combinés avec des liaisons covalentes pour former une molécule covalente. Puisque chaque atome de carbone libère un électron, ces électrons peuvent se déplacer librement,  le graphite est donc un conducteur électrique. Le graphite peut être classé en graphite naturel et en graphite artificiel. Le minerai de graphite naturel est divisé en graphite terreux et en graphite en paillettes, parmi lesquels le graphite en paillettes est un graphite naturel de qualité supérieure.

Le graphite artificiel fait référence aux matériaux graphite obtenus par un traitement ultérieur des matériaux carbonés appartenant à la classification du carbone amorphe pour améliorer la pureté du carbone et augmenter encore la proportion de structure cristalline de type graphite. Comme les matériaux carbonés, les matériaux graphite peuvent être transformés en produits industriels tels que des électrodes et des matériaux réfractaires. Cependant, en raison de ses caractéristiques plus excellentes, il est utilisé dans de nombreux domaines haut de gamme. Par exemple, lubrifiants résistants aux températures élevées, modification du revêtement des matériaux de la batterie, etc.

Les matériaux en carbone et en graphite sont des matériaux solides non métalliques principalement composés d'éléments en carbone. Les matériaux carbonés sont essentiellement composés de carbone non graphite, tandis que les matériaux graphite sont essentiellement composés de carbone graphite. Par souci de simplicité, les matériaux en carbone et en graphite sont parfois appelés collectivement matériaux en carbone.

Les produits carbonés peuvent être divisés en électrodes de graphite, blocs de carbone, anodes en graphite, électrodes de carbone, pâtes, carbones électriques, fibres de carbone, graphites spéciaux, échangeurs de chaleur en graphite, etc. selon les utilisations du produit. Les électrodes de graphite peuvent être divisées en électrodes de graphite de puissance ordinaires, électrodes de puissance élevée, électrodes de puissance ultra élevée en fonction de la densité de courant admissible. Les blocs de carbone peuvent être divisés en blocs de carbone de haut fourneau, blocs de carbone en aluminium, blocs de four électrique, etc. selon leurs utilisations.

Les produits en carbone peuvent être divisés en produits en carbone, produits en graphite, fibres de carbone et fibres de graphite en fonction de la profondeur de traitement. Les produits en carbone peuvent être divisés en produits en graphite, produits en carbone, fibres de carbone, produits en graphite spéciaux, etc. selon différentes matières premières et processus de production. Les produits carbonés peuvent être divisés en produits avec plus de cendres et moins de produits en cendres (avec une teneur en cendres inférieure à 1 %) en fonction de la taille de la teneur en cendres.

Le graphite est largement utilisé dans l’industrie et est utilisé dans presque toutes les industries. Le graphite artificiel est principalement utilisé dans l'industrie, appelé graphite spécial. Selon la manière dont il est formé, il peut être divisé dans les types suivants.

1. Graphite isostatique . C'est ce que beaucoup de gens appellent trois niveaux de graphite élevés, mais trois niveaux élevés n'équivalent pas à un pressage isostatique.

2. Graphite moulé

3. Graphite extrudé, principalement un matériau d'électrode.

Selon la taille des particules de graphite, il peut également être divisé en : graphite à structure fine, graphite moyennement grossier ( la taille générale des particules est d'environ 0,8 mm) et graphite d'électrode (2-4 mm). .

Les normes techniques nationales chinoises et les normes techniques ministérielles pour les produits à base de carbone sont classées selon différentes utilisations des produits et différents processus de production. Cette méthode de classification reflète essentiellement les différentes utilisations et processus de production des produits, et est également pratique pour la comptabilité, de sorte que sa méthode de calcul adopte également cette norme de classification. La classification et la description des produits carbonés sont présentées ci-dessous.

I.  Produits en carbone et graphite

(1) Électrodes en graphite

Il est principalement composé de coke de pétrole et de coke aiguilleté, et le brai de goudron de houille est utilisé comme liant. Il est fabriqué par calcination, dosage, pétrissage, pressage, torréfaction, graphitisation et usinage. Il libère de l'énergie électrique sous forme d'arc électrique dans un four à arc électrique. Les conducteurs chauffés et fondus peuvent être divisés en puissance ordinaire, puissance élevée et puissance ultra-élevée en fonction de leurs indicateurs de qualité. Les électrodes en graphite comprennent :

(1) Électrode de graphite de puissance ordinaire. Il est permis d'utiliser des électrodes de graphite avec une densité de courant inférieure à 17A/cm2, qui sont principalement utilisées dans les fours électriques ordinaires pour la fabrication de l'acier, la fusion du silicium, la fusion du phosphore jaune, etc.

(2) Électrode en graphite enduite d'antioxydation. Une électrode en graphite recouverte d'une couche protectrice anti-oxydation forme une couche protectrice à la fois conductrice et résistante à l'oxydation à haute température, réduisant ainsi la consommation d'électrodes lors de la fabrication de l'acier.

(3) Électrode de graphite haute puissance. Il est permis d'utiliser des électrodes en graphite avec une densité de courant de 18 à 25 A/cm2, qui sont principalement utilisées dans les fours à arc électrique de haute puissance pour la fabrication de l'acier.

(4) Électrode en graphite ultra haute puissance. Il est permis d'utiliser des électrodes en graphite avec une densité de courant supérieure à 25A /cm2. Principalement utilisé dans les fours à arc électrique de très haute puissance pour la sidérurgie.

(2) Anodes en graphite

Il est principalement composé de coke de pétrole comme matière première et de brai de charbon comme liant, et est fabriqué par calcination, dosage, pétrissage, pressage, torréfaction, imprégnation, graphitisation et usinage. Généralement utilisé comme anodes conductrices pour les équipements d'électrolyse dans l'industrie électrochimique. inclure:

（1） Plaques d'anodes pour diverses industries chimiques.

（2） Diverses tiges d'anodes.

(3) Graphite spécial

Utilisez principalement du coke de pétrole de haute qualité comme matière première, du brai de goudron de houille ou de la résine synthétique comme liant, après la préparation des matières premières, le dosage, le pétrissage, la compression, le concassage, le re-malaxage, le moulage, la torréfaction multiple, l'imprégnation multiple, la purification et la graphitisation, fabriqué par traitement machine. Généralement utilisé dans les secteurs de l’industrie aérospatiale, électronique et nucléaire.

Il comprend du graphite spectralement pur, du graphite de haute pureté, de haute résistance, de haute densité et pyrolytique.

(4) Échangeur de chaleur en graphite

Il s'agit d'un produit en graphite imperméable pour l'échange thermique fabriqué en traitant du graphite artificiel dans la forme requise, en l'imprégnant et en le solidifiant avec de la résine. Il s'agit d'un équipement d'échange de chaleur traité à partir de graphite artificiel imperméable. Utilisé dans l'industrie chimique. inclure:

（1） échangeur de chaleur à trou de bloc ;

（2） Échangeur de chaleur radial ;

（3） Échangeur de chaleur à film tombant ;

（4） Échangeur de chaleur à tubes.

(5) Électrodes de carbone

Utilisation de matériaux carbonés tels que l'anthracite et le coke métallurgique (ou coke de pétrole) comme matières premières, de brai de goudron de houille comme liant, d'électrodes conductrices cuites par moulage par compression sans graphitisation. Il ne convient pas aux fours électriques qui fondent des aciers alliés de haute qualité. inclure:

 (1) Électrodes cendrées (électrodes produites à partir d’anthracite, de coke métallurgique et de coke de brai) ;

（2） Électrodes régénératives (électrodes produites à partir de graphite artificiel et de graphite naturel) ;

（3） Tiges de résistance en carbone (c'est-à-dire briques de grille en carbone) ;

（4） Anodes de carbone (anodes précuites produites à partir de coke de pétrole) ;

（5） Ébauche d’électrode de cuisson.

(6) Blocs de carbone

Avec l'anthracite et le coke métallurgique comme matières premières principales et le brai de goudron de houille comme liant, il est fabriqué par préparation, dosage, mélange, moulage, torréfaction et usinage des matières premières. Parmi eux, les blocs de carbone de haut fourneau sont utilisés comme matériaux résistants aux hautes températures et à la corrosion pour les revêtements de haut fourneau ; les blocs de carbone inférieurs, les blocs de carbone latéraux et les blocs de four électrique sont utilisés dans les cellules électrolytiques en aluminium et les fours électriques en ferro-alliage. inclure:

（1） Charbon de haut fourneau ;

(2) Blocs de carbone du réservoir en aluminium (blocs de carbone inférieurs et blocs de carbone latéraux) ;

（3） Charbon de bois pour cuisinière électrique.

(7) Pâte de carbone

Il est composé de coke de pétrole, d'anthracite et de coke métallurgique comme matières premières principales, et de brai de goudron de houille comme liant. Certains sont utilisés comme pâtes d'électrodes pour divers fours électriques à cuisson automatique continue comme électrodes conductrices ; certains sont utilisés comme pâtes d'anodes pour les cuves en aluminium à autocuisson continue comme anodes conductrices ; certains sont utilisés comme charges pour la maçonnerie des hauts fourneaux et les boues réfractaires grossières. Calfeutrage des joints et des joints. Bien que les blocs de carbone autocuits destinés aux hauts fourneaux aient des utilisations différentes, leur processus de production est similaire à celui des produits en pâte, ils sont donc temporairement inclus dans les produits en pâte. inclure:

（1） Pâte d'anode ;

（2） Pâte d'électrode (y compris la pâte d'électrode standard et non standard) ;

（3） Pâte inférieure (y compris plus de pâte inférieure grise et moins grise);

（4） Pâte de scellage (y compris plus de cendres et moins de pâte de scellement de cendres) ;

（5） Autres pâtes (y compris la pâte à joints grossière, la pâte à joints fine, la brique de carbone autocuite, etc.) .

(8)  Produits non standards en carbone et graphite

Il s'agit de divers produits en carbone et en graphite de forme spéciale fabriqués à partir de produits en carbone et en graphite par un traitement ultérieur. Y compris les anodes de type pelle, les anodes de fabrication de fluor et diverses spécifications de creusets, plaques, tiges, blocs et autres produits de forme spéciale.

(9)  graphite imperméable

Il s'agit de divers produits en graphite de forme spéciale fabriqués par imprégnation et traitement de résines et de diverses substances organiques, y compris le bloc matriciel des échangeurs de chaleur.

(10)  Produits à base de charbon électrique

Il s'agit de tiges de carbone, de balais et d'autres produits.

II.   fibre de carbone

Il comprend diverses fibres de carbone, fibres de graphite, fils préoxydés, tissus de carbone, ceintures de carbone, cordes de carbone, feutres de carbone et leurs matériaux composites. La fibre de carbone est une fibre dont la teneur en carbone est supérieure à 93 %. Fabriqué à partir de fibre de polyacrylonitrile, de fil de viscose et de fibre de brai par carbonisation. La température de traitement thermique varie de faible à élevée et peut être transformée respectivement en fibre résistante à la chaleur, en fibre carbonisée et en fibre de graphite.

Pour résumer, au sens large : les matériaux carbonés sont en réalité des matériaux carbonés contenant des structures carbonées plus amorphes. Le matériau graphite est un matériau carboné principalement composé de cristaux de graphite. Les deux présentent de nombreuses similitudes, mais il existe également des différences significatives.