炭素材料と黒鉛材料の違いを詳しく解説
炭素材料と黒鉛材料は外観や特性に類似点が多いため、実際には両者の関係をどう区別すればよいのか分からない人も多いでしょう。この記事では詳しく紹介します。
炭素には、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドという 3 つの最も一般的な同素体が存在します。
ダイヤモンドの分子構造と外観
ダイヤモンド
炭素から構成される鉱物です。ダイヤモンドは、「硬度の王」「宝石の王」として知られる、自然界で最も硬い物質です。ダイヤモンド結晶の角度は54度44分8秒です。 1950年代、アメリカは黒鉛を原料として高温高圧下で人工ダイヤモンドを製造することに成功しました。今日、人造ダイヤモンドは生産や生活に広く使用されています。
アモルファスカーボン
一般に木炭、コークス、骨炭、砂糖炭、活性炭、カーボンブラックなどを指します。 炭素を約10％含む骨炭を除き、その他の主成分は炭素単体です。石炭は、炭素、水素、窒素などから構成される化合物を含む天然の非晶質炭素です。いわゆる非晶質炭素とは、これらの物質が存在する形状を指すのではなく、その内部構造を指します。実はその内部構造は本物の非晶質ではなく、黒鉛に似た構造の結晶ですが、炭素原子の六角形の環面が形成する層状構造が乱雑で不規則であり、結晶形成に欠陥があります。粒子は小さく、少量の不純物が含まれています。
アモルファスカーボンの大部分は、分子の断片がほぼ平行に不規則に積み重なった黒鉛状の層構造であり、乱層構造と呼ばれます。中間層またはフラグメントは、ダイヤモンド構造の四面体結合モードの炭素原子結合によって接続されています。この四面体中の炭素原子の割合が多いと、コークスやガラス状炭素のように、非晶質炭素は比較的硬いものになります。
アモルファスカーボンの分子構造と外観
産業界で一般的に使用される炭素製品とは、非晶質炭素原料（石炭、石油コークス、ピッチコークスなど）から精製された炭素製品を指します。このような炭素製品は、原料や加工技術の違いにより、炭素元素の結晶構造に含まれる黒鉛の結晶構造の割合が異なります。一般に黒鉛の結晶構造成分が多く含まれるほどカーボンの純度が高くなり、性能や価格が高くなります。
カーボン素材とグラファイト素材の本質的な違いは大きくないため、多くのカーボン製品は 「 グラファイト ○○」とも呼ばれます 。これは、グラファイトとカーボンという 2 つの語彙概念間の混乱の原因でもあります。たとえば、製鉄業界で一般的に使用される大型の電極は 「 グラファイト電極 」と呼ばれます 。実はこれらはカーボン製品であり、本当の意味での黒鉛でできた電極ではありません。一般的なカーボン製品は、冶金用の電極、製錬炉の内張りレンガ（カーボンブロック）、カーボンラジエーターなど、見た目のサイズが大きくなります。
黒鉛の分子構造と外観
黒鉛
炭素元素の同素体です。各炭素原子は他の 3 つの炭素原子 (蜂の巣パターンの複数の六角形に配置) に囲まれ、共有結合で結合して共有分子を形成します。各炭素原子は電子を放出し、それらの電子は自由に移動できるため、 グラファイトは導電体です。黒鉛は天然黒鉛と人造黒鉛に分類できます。天然黒鉛鉱石は土状黒鉛と鱗片状黒鉛に分けられ、その中でも鱗片状黒鉛は高品質の天然黒鉛です。
人造黒鉛とは、非晶質炭素に分類される炭素材料をさらに加工し、炭素の純度を高め、黒鉛状の結晶構造の割合を高めた黒鉛材料を指します。黒鉛材料は炭素材料と同様に電極や耐火物などの工業製品として利用できます。しかし、その優れた特性により、多くのハイエンド分野で使用されています。例えば、耐高温潤滑剤、電池材料のコーティング改質など。
カーボンおよびグラファイト材料は、炭素元素を主成分とする非金属の固体材料です。炭素材料は基本的に非黒鉛炭素で構成され、黒鉛材料は基本的に黒鉛炭素で構成されます。簡単にするために、炭素材料と黒鉛材料を総称して炭素材料と呼ぶこともあります。
カーボン製品は、製品の用途に応じて、黒鉛電極、炭素ブロック、黒鉛陽極、炭素電極、ペースト、電気カーボン、炭素繊維、特殊黒鉛、黒鉛熱交換器などに分類できます。黒鉛電極は、許容電流密度に応じて、通常の電力黒鉛電極、高電力電極、超高電力電極に分類できます。カーボンブロックは用途に応じて高炉用カーボンブロック、アルミカーボンブロック、電炉用カーボンブロックなどに分けられます。
炭素製品は、加工深さに応じて炭素製品、黒鉛製品、炭素繊維、黒鉛繊維に分類できます。炭素製品は、さまざまな原材料と製造プロセスに応じて、黒鉛製品、炭素製品、炭素繊維、特殊黒鉛製品などに分類できます。炭素製品は、灰分の大きさに応じて、多灰製品と低灰製品（灰分1％未満）に分けられます。
グラファイトは産業界で広く使用されており、ほぼすべての業界で使用されています。人造黒鉛は特殊黒鉛として知られ、工業的に主に使用されています。その成り立ちにより以下の種類に分けられます。
1. 等方性グラファイト。多くの人はこれをスリー ハイ グラファイトと呼んでいますが、スリー ハイは静水圧プレスと同じではありません。
2. 成形グラファイト
3. 押出黒鉛、主に電極材料。
黒鉛の粒径に応じて、に分けることもできます 。 微細構造黒鉛、中粗粒黒鉛 （ 一般的な粒径は約 0.8mm） 、電極黒鉛 （2〜4mm） .
中国の炭素製品の国家技術基準と大臣技術基準は、製品のさまざまな用途とさまざまな生産プロセスに応じて分類されています。この分類方法は基本的に製品の用途や製造工程の違いを反映しており、会計上も都合が良いため、計算方法もこの分類基準を採用しています。以下にカーボン製品の分類と説明を紹介します。
I. カーボンおよびグラファイト製品
(1) 黒鉛電極
主な原料は石油コークスとニードルコークスで、バインダーとしてコールタールピッチが使用されています。焼成、バッチ化、混練、プレス、焙焼、黒鉛化、機械加工によって作られます。電気アーク炉内で電気アークの形で電気エネルギーを放出します。加熱して溶融した導体は、その品質指標に応じて通常電力用、高電力用、超高電力用に分類できます。グラファイト電極には次のものがあります。
（1） 通常の粉末黒鉛電極。電流密度17A/cm2以下の黒鉛電極の使用が認められており、主に製鉄、シリコン精錬、黄燐精錬などの普通動力電気炉で使用されています。
（2） 酸化防止コーティングされたグラファイト電極。酸化防止保護層でコーティングされたグラファイト電極は、導電性と耐高温酸化性の両方を備えた保護層を形成し、製鋼時の電極の消耗を削減します。
（3） ハイパワーグラファイト電極。電流密度 18 ～ 25A /cm2 の黒鉛電極の使用が許可されており、主に製鋼用の高出力電気炉で使用されます。
（4） 超高出力グラファイト電極。 25A /cm2 を超える電流密度でグラファイト電極を使用することができます。主に超高出力製鋼電気炉で使用されます。
(2) グラファイトアノード
主に石油コークスを原料とし、石炭ピッチをバインダーとして、焼成、バッチ化、混練、プレス、焙焼、含浸、黒鉛化、機械加工などの工程を経て製造されます。一般に、電気化学産業の電解装置の導電性アノードとして使用されます。含む：
（1） 各種化学工業用陽極板。
（2） 各種陽極棒。
(3)特殊グラファイト
主に高品質の石油コークスを原料として、コールタールピッチまたは合成樹脂をバインダーとして使用し、原料調製、バッチ化、混練、打錠、粉砕、再混練、成形、複数回の焙焼、複数回の含浸、精製および黒鉛化の後、機械加工によって製造されます。通常、航空宇宙、エレクトロニクス、原子力産業分野で使用されます。
これには、スペクトル的に純粋なグラファイト、高純度、高強度、高密度、熱分解グラファイトが含まれます。
(4) グラファイト熱交換器
人造黒鉛を所定の形状に加工し、樹脂を含浸・固化させた熱交換用不透過性黒鉛製品です。人造不透過性黒鉛を加工した熱交換器です。化学工業で使用されます。含む：
（1） ブロックホール熱交換器。
（2） ラジアル熱交換器。
（3） 流下膜式熱交換器。
（4） チューブ熱交換器。
(5) カーボン電極
無煙炭や冶金コークス（または石油コークス）などの炭素質材料を原料とし、コールタールピッチをバインダーとして用い、黒鉛化を行わずに圧縮成形により焼成した導電性電極。高級合金鋼を溶解する電気炉には適しません。含む：
(1) 灰質電極（無煙炭、冶金コークス、ピッチコークスから製造される電極）。
（2） 回生電極（人造黒鉛および天然黒鉛を原料とする電極）
（3） カーボン抵抗棒（カーボングリッドレンガ）。
（4） カーボンアノード（石油コークスから製造されたプレベークアノード）。
（5） 電極ブランクを焼成します。
(6) カーボンブロック
無煙炭と冶金コークスを主原料として、コールタールピッチをバインダーとして使用し、原料の準備、バッチ化、混合、成形、焙煎、機械加工を通じて製造されます。中でも高炉用カーボンブロックは高炉内壁の高温耐食材料として使用されており、高炉内壁材として使用されています。ボトムカーボンブロック、サイドカーボンブロック、電気炉ブロックはアルミ電解槽や合金鉄電気炉に使用されます。含む：
（1） 高炉用木炭；
（2） アルミタンクカーボンブロック（ボトムカーボンブロック、サイドカーボンブロック）。
（3） 電気コンロ用の炭。
(7) カーボンペースト
石油コークス、無煙炭、冶金コークスを主原料とし、バインダーとしてコールタールピッチから作られています。各種連続焼成電気炉の電極ペーストとして導電性電極として使用されるものもあります。一部は、導電性アノードとして連続自己焼成アルミニウムタンクのアノードペーストとして使用されます。一部は高炉石材や粗い耐火物スラリーの充填剤として使用されます。縫い目と縫い目コーキング。高炉用自焼カーボンブロックは用途は異なりますが、製造工程はペースト製品と同様であるため、一時的にペースト製品に含まれています。含む：
（1） 陽極ペースト;
（2） 電極ペースト（標準および非標準の電極ペーストを含む）。
（3） 底部ペースト（灰色が多い底部ペーストと灰色が少ない底部ペーストを含む）。
（4） シーリングペースト（灰が多いシーリングペーストと灰が少ないシーリングペーストを含む）。
（5） その他のペースト（粗目ペースト、細目ペースト、自己焼成カーボンレンガ等を含む）。
(8) 規格外のカーボンおよびグラファイト製品
炭素や黒鉛製品をさらに加工して特殊な形状にした各種の炭素や黒鉛製品を指します。ショベル型陽極、フッ素製造用陽極をはじめ、るつぼ、板、棒、ブロックなどの特殊形状品の各種仕様を取り揃えております。
(9) 不浸透性黒鉛
熱交換器のマトリックスブロックをはじめ、樹脂や各種有機物を含浸・加工した各種グラファイト特殊形状製品を指します。
(10) 電気炭製品
カーボンロッドやブラシなどの製品を指します。
II. 炭素繊維
各種カーボンファイバー、グラファイトファイバー、酸化処理ワイヤー、カーボンクロス、カーボンベルト、カーボンロープ、カーボンフェルトおよびそれらの複合材料が含まれます。カーボンファイバーとは、炭素含有量が93%以上の繊維です。ポリアクリロニトリル繊維、ビスコース糸、ピッチ繊維を炭化して製造。熱処理温度は低温から高温まであり、それぞれ耐熱繊維、炭化繊維、黒鉛繊維にすることができます。
要約すると、広義では、炭素材料は実際には、より非晶質な炭素構造を含む炭素材料です。黒鉛材料は、黒鉛の結晶を主成分とする炭素材料です。この 2 つは多くの類似点がありますが、大きな違いもあります。
